UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR. FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA. ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL.
OBRAS HIDRÁULICAS T.E.
PRESAS DE ENROCAMIENTO. DOCENTE: ING. EDGAR ALFREDO GAVIDIA PAREDES.
ALUMNO: IRWIN BATRES AVALOS
MIÉRCOLES 18 DE ENERO DE 2012
BA07007
ÍNDICE INTRODUCCIÓN. ................................................................................................................................... I OBJETIVOS. ......................................................................................................................................... III JUSTIFICACIÓN. .................................................................................................................................. IV CAPITULO I. ......................................................................................................................................... 1 GENERALIDADES SOBRE LAS PRESAS. ................................................................................................. 1 CAPITULO II. ........................................................................................................................................ 7 CLASIFICACIÓN DE CORTINAS EN PRESAS DE TIERRA Y ENROCAMIENTO, DE MATERIALES COMPACTADOS. .................................................................................................................................. 7 2.1. PRESAS DE RELLENO HIDRÁULICO. .......................................................................................... 7 2.2. PRESAS DE MATERIALES COMPACTADOS. ............................................................................... 9 2.2.1. Presas Homogéneas. ....................................................................................................... 11 2.2.2. Presas homogéneas con filtros. ...................................................................................... 11 2.2.3. Presas de materiales graduados. .................................................................................... 12 2.2.4. Presa de enrocamiento. .................................................................................................. 13 2.2.5. Presas con Delantal o con Pantalla. ................................................................................ 15 2.3. DEFINICIÓN DE TÉRMINOS. .................................................................................................... 18 2.4. TIPOS DE SECCION. ................................................................................................................. 20 2.4.1. Sección homogénea. ....................................................................................................... 21 2.4.2. Sección graduada ............................................................................................................ 21 2.4.3. Sección Mixta. ................................................................................................................. 21 CAPITULO III. ..................................................................................................................................... 23 ESTUDIOS BÁSICOS............................................................................................................................ 23 3.1. PRINCIPIOS DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PRESAS DE TIERRA Y ...................................... 23 3.1.1. Datos para el proyecto. ................................................................................................... 23 3.1.2. Bases para el proyecto. ................................................................................................... 24 3.2. NORMAS GENERALES DE CONSTRUCCIÓN............................................................................. 25 3.2.1. Limpia de la cimentación................................................................................................. 25 3.2.2. Desvió. ............................................................................................................................. 25 3.2.3. Colocación de los materiales en el terraplén. ................................................................. 26 CAPÍTULO IV. ..................................................................................................................................... 27 i
NOCIONES PRELIMINARES PARA LA ESTABILIZACION DE LAS CORTINAS EN PRESAS DE TIERRA Y ENROCAMIENTO. .............................................................................................................................. 27 4.1. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES ..................................................................................... 27 4.1.1. Granulometría. ................................................................................................................ 27 4.1.2. Graduación. ..................................................................................................................... 28 4.1.3. Forma. ............................................................................................................................. 28 4.1.4. Plasticidad. ...................................................................................................................... 29 4.1.5. Estructura. ....................................................................................................................... 29 4.2. SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACION DE SUELOS (SUCS). ................................................ 30 4.3. PROPIEDADES GENERALES DE LAS FRACCIONES DE UN SUELO ............................................. 31 4.3.2. Limo y arcilla.................................................................................................................... 31 4.4. CLASIFICACION DE LAS GRAVAS Y ARENAS. ........................................................................... 33 4.4.1. Gravas bien graduadas (Gb). ........................................................................................... 33 4.4.2. Gravas mal graduadas (Gm). ........................................................................................... 33 4.4.3. Arenas bien graduadas (Ab). ........................................................................................... 34 4.4.4. Arenas mal graduadas (Am). ........................................................................................... 34 4.4.5. Arenas limosas (AL). ........................................................................................................ 34 4.4.6. Arenas Arcillosas (AB)...................................................................................................... 34 4.5. CLASIFICACIÓN DE MATERIALES FINOS.................................................................................. 35 4.5.1. Limos de baja compresibilidad (lp). ................................................................................ 35 4.5.2. Arcillas de baja compresibilidad (bp). ............................................................................. 35 4.5.3. Suelos orgánicos de baja compresibilidad (Op). ............................................................. 35 4.5.4. Limos de alta compresibilidad (Lc). ................................................................................. 35 4.5.5. Arcillas altamente compresibles (Bc). ............................................................................. 35 4.5.6. Suelos orgánicos altamente compresibles (Oc). ............................................................. 35 4.6. PRUEBAS MANUALES PARA IDENTIFICAR SUELOS FINOS EN EL ............................................ 36 4.6.1. Resistencia del suelo seco. .............................................................................................. 36 4.6.2. Tenacidad. ....................................................................................................................... 37 4.6.3. Limite plástico. ................................................................................................................ 37 CAPITULO V. ...................................................................................................................................... 38 ANALISIS DE ESTABILIDAD DE TALUDES. ........................................................................................... 38 5.1. CAUSAS DE FALLA EN PRESAS DE TIERRA Y ENROCAMIENTO................................................ 38 ii
5.2. –TUBIFICACION. ..................................................................................................................... 38 5.2.1. – Medidas para evitar la tubificación. ............................................................................. 40 5.3. – FALLAS POR AGRIETAMIENTO. ............................................................................................ 42 5.3.1. – Medidas preventivas para evitar la falla por agrietamiento. ....................................... 43 5.4. FALLAS POR LICUACIÓN ......................................................................................................... 45 5.4.1. – Recomendaciones para prevenir la falla por flujo. ...................................................... 49 5.5. DESLIZAMIENTO DE TALUDES. ............................................................................................... 50 5.5.1. Resistencia al esfuerzo cortante ..................................................................................... 50 5.6. TIPOS DE PRUEBA ................................................................................................................... 51 5.6.1. Compresión Triaxial. ........................................................................................................ 51 5.6.2. Prueba rápida .................................................................................................................. 51 5.6.3. Prueba consolidada rápida: ............................................................................................. 52 5.6.4. Prueba lenta .................................................................................................................... 52 5.7. CONDICIONES DE TRABAJO DE UNA PRESA DE TIERRA Y ...................................................... 52 5.7.1. Condiciones iniciales. ...................................................................................................... 54 5.7.2. – Condiciones finales. ...................................................................................................... 54 5.7.3. Condición de vaciado rápido. .......................................................................................... 55 5.8. RELLENOS COMPACTADOS..................................................................................................... 56 5.8.1. Diversos tipos de maquinas de compactación. ............................................................... 57 5.9. CALCULO DE LA ESTABILIDAD DE UN TALUD EN UNA PRESA ................................................ 59 DE TIERRA Y ENROCAMIENTO. ...................................................................................................... 59 5.9.1. Calculo de la curva de filtración en una presa de tierra de dos materiales. ................... 60 CAPITULO VI. ..................................................................................................................................... 64 RECOMENDACIONES Y CONCLUSIONES. ........................................................................................... 64 6.1. RECOMENDACIONES GENERALES PARA LA ESTABILIZACIÓN DE LAS .................................... 64 CONCLUSIONES. .................................................................................................................................. V BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................................................... VI
iii
INTRODUCCIÓN. Las presas son construcciones realizadas en la cuenca de los ríos con múltiples finalidades, entre las que destacan: abastecimiento de agua a poblaciones, regulación general de la corriente de agua o río, aprovechamiento industrial de su energía, hacer navegables ciertos canales o tramos de río y defender de los daños producidos por las riadas e inundaciones, entre otros. Semejantes o parecidos son los diques de protección construidos en terrenos desecados o amenazados por las aguas marinas, frecuentes sobre todo en Holanda. No obstante, siempre que se construye una presa, aunque sea para otra finalidad principal, se aprovecha para producción de energía. La presa de mayores dimensiones hasta ahora conocida es la de la Tres Gargantas (China); su construcción comenzó en 1994 para regular las desastrosas y devastadoras inundaciones producidas por el Yangtzé o río Azul casi todos los años y aún está sin terminar como consecuencia de las grandes críticas recibidas y de los problemas de financiación existentes. Existen diversos tipos de presas ya sean de gravedad, contrafuerte, de arco bóveda o escolleras, esta ultima es de interés principal para este trabajo ya que las presas escolleras son aquellas formadas por tierra y roca, es por ello que se les conoce como presas de enrocamiento, y también llamadas de materiales sueltos, estas son todas de gravedad, las cuales son todas aquellas en las que su propio peso es el encargado de resistir el empuje del agua. El empuje del embalse es transmitido hacia el suelo, por lo que éste debe ser muy estable capaz de resistir, el peso de la presa y del embalse. Constituyen las represas de mayor durabilidad y que menor mantenimiento requieren. Las presas de tierra y enrocamiento, es posible que sean una de las estructuras más antiguas construidas por el hombre. Se sabe que los chinos, antes de la era cristiana, ya tenían bordos de gran longitud y compactaban la tierra con varas de carrizo manejadas por verdaderos ejércitos humanos. Los hindúes desarrollaron este tipo de obra desde el año 500 a.c. y construyeron la presa MaddukMasur, de 33 m de altura, hace 45 décadas, se destruyo por carencia de vertedor. Las presas de tierra para el almacenamiento de agua para riego, como lo atestiguan la historia y los restos que sobreviven de las antiguas estructuras, se han usado desde los primeros días de la civilización. Algunas de las estructuras construidas en la antigüedad eran de enorme tamaño. En Ceilán, en el año 504 A.C. se terminó una presa de tierra de I
11 m de largo y de 70 pies de alto, contenía, aproximadamente, 17 millones de yardas cúbicas de terraplén. En nuestros días, como en el pasado, la presa de tierra continúa siendo el tipo más común de presa pequeña, principalmente porque en su construcción se utilizan materiales en su estado natural con un mínimo de tratamiento. Hasta en los tiempos modernos todas las presas de tierra se proyectan por procedimientos empíricos, y la literatura de ingeniería está repleta de relatos de las fallas. Estas fallas obligaron a darse cuenta de que los métodos empíricos debían remplazarse por procedimientos racionales de ingeniería, tanto en el proyecto como en la construcción. Uno de los primeros en sugerir que los taludes de las presas de tierra se eligieran en esta forma fue Bassell en 1907. Sin embargo, se hicieron pocos progresos en la elaboración de procedimientos de proyectos racionales hasta la década de 1930. El rápido avance de la ciencia de la mecánica de suelos, desde ese tiempo, había dado por resultado el desarrollo de procedimientos de proyectos muy mejorados para las presas de tierra y roca. Estos procedimientos constan de investigaciones previas de las cimentaciones y del estudio de los materiales de construcción; aplicación de los conocimientos y técnica de la ingeniería al proyecto; y métodos de construcción cuidadosamente proyectados y controlados. Como resultado, las presas de tierra y enrocamiento se construían (1968) hasta alturas que sobrepasaban de los 500 pies (152.40 m) arriba de sus cimentaciones; y cientos de grandes presas de tierra compactada se construyeron en los pasados 20 años sin haberse registrado ninguna falla. Sin embargo, las fallas de presas pequeñas continúan siendo cosa común. Aunque es probable que algunas de estas fallas sean el resultado de un mal proyecto, muchas de ellas han sido causadas por falta de cuidado en la construcción. Los métodos correctos de construcción incluyen la preparación adecuada de la cimentación y la colocación de materiales en la presa con el grado necesario de compactación, siguiendo un procedimiento establecido de prueba y control. El proyecto de una presa de tierra y enrocamiento debe apegarse a la realidad. Debe acusar las condiciones reales del emplazamiento en que se construye y los materiales de construcción de que se dispone, y no debe copiarse, simplemente, algún proyecto que haya tenido éxito usado en un lugar en condiciones diferentes.
II
OBJETIVOS. OBJETIVO GENERAL. El objetivo primordial de esta tesis es el de analizar las condiciones de estabilidad de las presas de tierra y enrocamiento y definir los parámetros mecánicos de los materiales a utilizar en la construcción de estas obras y a partir de ello estimar su futuro comportamiento ante las condiciones de esfuerzos a las que serán expuestas durante su vida útil. OBJETIVOS ESPECIFICOS. En la construcción de Presas de Tierra y enrocamiento, se debe cumplir con los siguientes objetivos, en una forma concisa y clara, presentar la metodología que abarca, desde el estudio de los materiales de construcción hasta la etapa de construcción, de acuerdo con los nuevos avances de la mecánica de suelos y tomando en cuenta la técnica desarrollada en nuestro país en esta materia. En este trabajo se abordan los principios generales de diseño y construcción de cortinas de tierra y enrocamiento, escrito a un nivel que permita a los ingenieros, que no están suficientemente familiarizados profundicen en este estudio, especialmente a los ingenieros no especializados en el campo de la Mecánica de Suelos además pretenden ser una guía en el criterio general a seguir ante los problemas que se plantean tanto en el diseño como la construcción de presas de tierra y enrocamiento y tener un conocimiento preciso de los fundamentos de esta rama de la Ingeniería y de esta manera actuar con criterio del conocimiento desde los materiales a emplear hasta la maquinaria a utilizar así como formas de construcción, ya que el mayor número de cortinas que se han construido en nuestro país, indudablemente caen dentro de éste tipo que son en un 70 %.. Es de importancia este trabajo debido a que existen muy pocas publicaciones sobre este tema, este trabajo servirá a los alumnos de ingeniería civil, con datos precisos para la materia de Obras Hidráulicas.
III
JUSTIFICACIÓN. Siendo El Salvador un país que cuenta con una gran cantidad de habitantes que requieren satisfacer sus necesidades básicas, como agua potable y drenaje requerido por la población o por sus industrias, el consumo de energía, riego de los cultivos, para la producción de alimentos, es necesario construir presas para aprovechar los recursos hidráulicos superficiales del país. Se construyen presas para crear un lago artificial o derivar el río a una cota prefijada, con objeto de almacenar o captar los escurrimientos y regar tierras o generar energía, o bien, dotar de agua potable a poblaciones o centros industriales. También sirven para regularizar el flujo de una corriente que provoca inundaciones en predios o poblados. Dichas estructuras no siempre responden a solo una de las finalidades antes mencionadas, más bien se proyectan para funciones múltiples coordinando los servicios de riego, electrificación y regularización de avenidas, con miras al desarrollo integral de una región. De lo anterior se infiere que la presa es el resultado de un estudio general, en el que intervienen las características del río, la geología de la región, la existencia de sitios apropiados para crear el embalse y cimentar la obra, de tierras de labor o necesidades de energía en la región, o bien de poblaciones que proteger o dotar de agua. En lo que se refiere a la presa propiamente dicha, los estudios generales comprenden la selección del tipo de estructura, la disposición preliminar de las partes integrantes (cortina, obra de toma, vertedor, desvío, casa de máquinas, etc.) La construcción de Presas de Tierra y enrocamiento, cumple ampliamente con estos objetivos importantes y en una forma concisa y clara que presenta la técnica seguida, desde el estudio de los materiales de construcción hasta la etapa de construcción, de acuerdo con los nuevos avances de la mecánica de suelos.
IV
CAPITULO I. GENERALIDADES SOBRE LAS PRESAS. En ingeniería se denomina presa o represa a una barrera fabricada con piedra, hormigón o materiales sueltos, que se construye habitualmente en una cerrada o desfiladero sobre un río o arroyo con la finalidad de embalsar el agua en el cauce fluvial para su posterior aprovechamiento en abastecimiento o regadío, para elevar su nivel con el objetivo de derivarla a canalizaciones de riego, o para la producción de energía mecánica al transformar la energía potencial del almacenamiento en energía cinética, y ésta nuevamente en mecánica al accionar la fuerza del agua un elemento móvil. La energía mecánica puede aprovecharse directamente, como en los antiguos molinos, o de forma indirecta para producir energía eléctrica, como se hace en las centrales hidroeléctricas. Partes que conforman la presa:
Corona: Parte superior de la estructura, generalmente revestida para prevenir el secado del corazón impermeable y proporcionar una vía para el tránsito de vehículos. Altura: Diferencia entre las elevaciones de la corona y el punto más bajo de La cimentación. Bordo libre: Distancia vertical entre el nivel de la corona y el de las aguas máximo extraordinarias (NAME); este último se alcanza cuando el vertedor trabaja a su capacidad límite de descarga. El bordo libre debe de proteger a una presa, con cierto margen de seguridad, de los efectos del oleaje generado por el viento o sismos y tomar en cuenta el asentamiento máximo de la corona. Namo: Nivel de aguas máximas ordinarias. Coincide con la elevación de la cresta del vertedor en el caso de una estructura que derrama libremente; si se tienen compuertas, es el nivel superior de estas. 1
Taludes exteriores: Están relacionados a la clasificación de suelos que se va a usar en la construcción, especialmente suelos impermeables. El talud elegido es estrictamente conservador, y dependen del tipo de cortina y de la naturaleza de los materiales. Núcleo impermeable: Pantalla impermeable de la cortina construida consuelo compactado este núcleo puede estar al centro y ser vertical o inclinado, o bien, localizado próximo al paramento de aguas arriba. Dichas alternativas van a depender de los materiales del lugar. Respaldos: Partes de la cortina construidas con materiales permeables (enroca miento, gravas o arenas), o bien, suelos limosos o arcillosos colocados aguas abajo pero confinados por filtros. Filtros: Elementos de la sección formados con arena limpia, bien graduada, destinados a colectar las filtraciones a través del núcleo y protegerlo de una posible erosión interna; puede requerirse un filtro vertical al centro, unido a otro en la base, aguas abajo: cuando el respaldo de aguas arriba debe de construirse con un material de permeabilidad relativamente baja, suelen intercalarse capas filtrantes horizontales. Protecciones: Para evitar la erosión causada por oleaje por el talud de aguas arriba o por lluvias en el de aguas abajo, los paramentos respectivos se forman con materiales capaces de resistir dicha acción. Aguas arriba es conveniente usar una capa de enroca miento, pero la carencia de las rocas en el lugar puede obligar el uso de losas de suelo cemento, concreto o de recubrimientos asfálticos. Aguas abajo es frecuente cubrir con una capa de suelo y césped. Tipos de presas: Los diferentes tipos de presas responden a las diversas posibilidades de cumplir la doble exigencia de resistir el empuje del agua y evacuarla cuando sea preciso. En cada caso, las características del terreno y los usos que se le quiera dar al agua, condicionan la elección del tipo de presa más adecuado. Existen numerosos tipos, comenzando con que puede hablarse de presas fijas o móviles, pero primero debemos clasificarlas en dos grandes grupos según su estructura y según los materiales empleados en su construcción. Aunque existen cuatro tipos fundamentales de presas: De gravedad (de hormigón rodillado o convencional) De contrafuertes De arco‐bóveda De escollera (de tierra o de roca), y también llamadas de materiales sueltos (estas son todas de gravedad). 2
Presa hinchable Pudiendo tener un núcleo, de diferentes formas, o incluso una pantalla asfáltica para sellar, o una parte de arcilla. Existen también presas hinchables, basculantes y pivotantes pero son de mucha menor entidad o han caído en desuso, por lo que no se consideran aquí. Según su estructura: Presas de gravedad: son todas aquellas en las que su propio peso es el encargado de resistir el empuje del agua. El empuje del embalse es transmitido hacia el suelo, por lo que éste debe ser muy estable capaz de resistir, el peso de la presa y del embalse. Constituyen las represas de mayor durabilidad y que menor mantenimiento requieren. Dentro de las presas de gravedad se puede tener:
Escollera ‐ Tierra homogénea, tierra zonificada, CFRD (grava con losa de hormigón), de roca. De hormigón ‐ tipo RCC (hormigón rodillado) y hormigón convencional. Su estructura recuerda a la de un triángulo isósceles ya que su base es ancha y se va estrechando a medida que se asciende hacia la parte superior aunque en muchos casos el lado que da al embalse es casi de posición vertical. La razón por la que existe una diferencia notable en el grosor del muro a medida que aumenta la altura de la presa se debe a que la presión en el fondo del embalse es mayor que en la superficie, de esta forma, el muro tendrá que soportar más fuerza en el lecho del cauce que en la superficie. La inclinación sobre la cara aguas arriba hace que el peso del agua sobre la presa incremente su estabilidad. Presas de bóveda o presas en arco: son todas aquellas en las que su propia forma es la encargada de resistir el empuje del agua. Debido a que la presión se transfiere en forma muy concentrada hacia las laderas de la cerrada, se requiere que ésta sea de roca muy dura y resistente. Constituyen las represas más innovadoras en cuanto al diseño y que menor cantidad de hormigón se necesita para su construcción. Cuando la presa tiene curvatura en el plano vertical y en el plano horizontal, también se denomina de bóveda. Para lograr sus complejas formas se construyen con hormigón y requieren gran habilidad y experiencia de sus constructores que deben recurrir a Según su material: Presas de hormigón: son las más utilizadas en los países desarrollados ya que con éste material se pueden elaborar construcciones más estables y duraderas; debido a que su cálculo es del todo fiable frente a las 3
producidas en otros materiales. Normalmente, todas las presas de tipo gravedad, arco y contrafuerte están hechas de este material. Algunas presas pequeñas y las más antiguas son de ladrillo, de sillería y de mampostería. En España, el 67% de las presas son de gravedad y están hechas con hormigón ya sea con o sin armaduras de acero. La presa de las Tres Gargantas situada en el curso del río Yangzi en China es la planta hidroeléctrica y de control de inundaciones más grande del mundo. Se terminó en el año 2009. Una docena de ciudades y miles de pueblos fueron engullidos por las aguas, obligando a desplazarse a más de un millón y medio de personas. Presas de materiales sueltos: son las más utilizadas en los países subdesarrollados ya que son menos costosas y suponen el 77% de las que podemos encontrar en todo el planeta. Son aquellas que consisten en un relleno de tierras, que aportan la resistencia necesaria para contrarrestar el empuje de las aguas. Los materiales más utilizados en su construcción son piedras, gravas, arenas, limos y arcillas aunque dentro de todos estos los que más destacan son las piedras y las gravas. Este tipo de presas tienen componentes muy permeables, por lo que es necesario añadirles un elemento impermeabilizante. Además, estas estructuras resisten siempre por gravedad, pues la débil cohesión de sus materiales no les permite transmitir los empujes del agua al terreno. Este elemento puede ser arcilla (en cuyo caso siempre se ubica en el corazón del relleno) o bien una pantalla de hormigón, la cual se puede construir también en el centro del relleno o bien aguas arriba. Estas presas tienen el inconveniente de que si son rebasadas por las aguas en una crecida, corren el peligro de desmoronarse y arruinarse. Presas de Enrocamiento con Cara de Hormigón (o Concreto): Este tipo de cortinas en ocasiones es clasificada entre las de materiales sueltos; por su forma de ejecución y su trabajo estructural son diferentes. El elemento de retención del agua es una cortina formada con fragmentos de roca de varios tamaños, que soportan en el lado del embalse una cara de hormigón la cual es el elemento impermeable. La pantalla o cara está apoyada en el contacto con la cimentación por un elemento de transición llamado plinto, que soporta a las losas de hormigón. Este tipo de estructura fue muy utilizada entre 1940 a 1950 en cortinas de alturas intermedias y cayó en desuso hasta finales del siglo XX en que fue retomado por los diseñadores y constructores al disponer de mejores métodos de realización y equipos de construcción eficientes.
4
Según su aplicación:
Presas filtrantes o diques de retención: son aquellas que tienen la función de retener sólidos, desde material fino, hasta rocas de gran tamaño, transportadas por torrentes en áreas montañosas, permitiendo sin embargo el paso del agua.
Presa filtrante de hormigón en un torrente de los Alpes
Presas de control de avenidas: son aquellas cuya finalidad es la de laminar el caudal de las avenidas torrenciales, con el fin de que no se cause daño a los terrenos situados aguas abajo de la presa en casos de fuerte tormenta.
Presas de derivación: El objetivo principal de estas es elevar la cota del agua para hacer factible su derivación, controlando la sedimentación del cauce de forma que no se obstruyan las bocatomas de derivación. Este tipo de presas son, en general, de poca altura ya que el almacenamiento del agua es un objetivo secundario.
Presa De Derivación En El Río Mosa. En la foto, la bocatoma está en la margen derecha del río. La estructura que atraviesa el río sirve para crear un pequeño represamiento para garantizar el funcionamiento de la bocatoma.
5
Presas de Almacenamiento: El objetivo principal de éstas, es retener el agua para su uso regulado en irrigación, generación eléctrica, abastecimiento a poblaciones, recreación o navegación, formando grandes vasos o lagunas artificiales. El mayor porcentaje de presas del mundo, las de mayor capacidad de embalse y mayor altura de cortina corresponden a este objetivo.
Presas de Relaves o Jales: Son estructuras de retención de sólidos sueltos y líquidos de desecho, producto de la explotación minera, los cuales son almacenados en vasos para su decantación. Por lo común son de menores dimensiones que las presas que retienen agua, pero en algunos casos corresponden a estructuras que contienen enormes volúmenes de estos materiales. Al igual que las presas hidráulicas tienen cortina (normalmente del mismo tipo de material), vertedero, y en vez de tener una obra de toma o bocatoma poseen un sistema para extraer los líquidos.
Presa Alvaro Obregon, Mexico.
6
CAPITULO II. CLASIFICACIÓN DE CORTINAS EN PRESAS DE TIERRA Y ENROCAMIENTO, DE MATERIALES COMPACTADOS. Atendiendo al procedimiento de construcción, son dos los tipos de cortina: la de relleno hidráulico y la de materiales compactados. 2.1. PRESAS DE RELLENO HIDRÁULICO. Como antes se menciono sobre este tipo de presas solo hablaremos de forma rápida para que se tenga conocimiento de las diferencias entre estos tipos de presas. Su característica fundamental es que los materiales integrantes de la sección, incluyendo los finos del corazón y los granulares relativamente gruesos de los respaldos permeables, son atacados en la cantera, conducidos a la cortina y colocados en ella por medios hidráulicos. Con la creación de un estanque al centro del terraplén y canales de distribución que parten del talùd exterior; se logra una disposición adecuada del material explotado en cantera. Manteniendo un control estricto de las pendientes en los canales de distribución, los fragmentos más gruesos se depositan en la vecindad de los taludes exteriores, la fracción arcillosa o limosa se sedimenta en las partes centrales, y entre esta y la masa granular queda una zona de tracción. Teóricamente la solución es atractiva. En la práctica, son varios los factores que influyen en la construcción de la estructura, algunos de ellos de difícil vigilancia Cantera. Debe presentarse a un ataque hidráulico con “chiflones” o “monitores”, tener composición granulometría aceptable y homogénea. Estos dos últimos requisitos son indispensables. El primero pude sustituirse por una explosión a base de explosivos, realizada en forma racional para obtener el producto buscado. Pero no todas las canteras pueden servir a este propósito, y antes de tomar una decisión es necesario hacer pruebas en el campo, suficientemente amplias para que resulte respectivamente de una explotación en gran escala y permitan determinar variaciones en la composición del material. Transporte. Para que la condición de los materiales pueda realizarse económicamente por medio de una corriente de agua, se requiere disponer de un desnivel entre la cantera y la cortina, adecuado para mantener velocidad alta. Esta limita el tamaño máximo de los fragmentos que se incorporan a la presa. Como no siempre existe ducha condición, puede ser costeable explotar dicha cantera con explosivos, cargar el producto en camiones, transportarlo a la cortina y formar en ellos montones que se atacan con chiflones para repartir el material por sedimentos, desde los taludes exteriores hacia el centro de la sección. Este procedimiento, conocido con 7
el nombre de semihidráulicos, es más caro, pero tiene ventajas importantes sobre al anterior; al permitir clasificar los materiales en el camión y distribuirlos mejor en el sitio. Terraplén. Puesto que la colocación de los materiales en la cortina se realiza por sedimentación debe ser estricto el control de la velocidad del agua en las diferentes partes de la cortina; de otro modo, puede presentarse el caso de que se deposite al centro una capa de arena, o bien, se formen lentes de materiales. Las fronteras de los que deben considerar es el núcleo impermeable y las secciones permeables son; en general, variables. Las oscilaciones son causadas por cambios en la composición de la cantera y fallas de vigilancia en las pendientes de los canales de distribución y del terreno sobre el que escurre la suspensión del material. Sección de la cortina. El corte que se muestra en la figura es típico de este tipo de estructura. N o sería posible destacar en forma precisa las fronteras de los diversos materiales componentes, pues debido al procedimiento de colocación, de los tamaños grandes se pasa gradualmente al suelo fino que ocupa la zona central. Para hacer verificaciones de estabilidad, es indispensable determinar el límite entre los materiales granulares y los cohesivos, indicando en la figura con líneas irregulares. La ubicación de estas fronteras se obtiene a partir de la composición granulométrica media del material que se va a usar en la construcción, estableciendo la proposición en que se encuentra los dos tipos de suelos. De acuerdo con la clasificación del MIT, sí la granulometría es la que corresponde con las derivaciones señaladas por las curvas adyacentes, se concluyen que el corazón tendría taludes de 0.5:1, en promedio, con valores extremos probables de 0.60:1 y 0.35:1. La separación de los materiales friccionantes y cohesivos corresponden al tamaño de 0.06mm, o sea a la división entre los limos y arenas finas. Los taludes exteriores del ejemplo son conocidos de antemano, así como la relación de vacíos de las diferentes fracciones separadas por sedimentación. Las consecuencias de una variación importante en la cantera, o bien de un control deficiente de la distribución de los materiales en la cortina, se exhiben a continuación.
8
Nota. La disponibilidad de materiales, equipo y personal experimentado, puede hacer que este procedimiento de construcción resulte atractivo por razones de costo. Sin embargo, son varias las desventajas que ameriten análisis. Lo más importante es que todos los materiales son colocados en estado suelto. Por tanto, puede decirse que la resistencia al corte es menor y tanto la compresibilidad como la susceptibilidad a licuación, mayores que en cortinas de materiales compactados. En general, el volumen de una presa construida por este método es superior que otra de la misma altura realizada compactando los materiales. Las fallas de las presas de relleno hidráulico, Fort Peck en EUA y Necaxa en México, han desprestigiado este tipo de construcción. El abatimiento de los costos de colocación de capas y de desarrollo de equipos de compactación cada vez más eficientes ha contribuido a que la alteración de presas de relleno hidráulico haya quedado al olvido, en las dos últimas década; Sin embargo, existe la tendencia a revivir e método aplicando nuevas técnicas de colocación y compactación de los materiales bajo aguas para formar zonas que resulten impermeables (presa Aswan, Egipto). 2.2. PRESAS DE MATERIALES COMPACTADOS. La compactación de la tierra fue aplicada en Europa a principios del siglo XIX. En Inglaterra, hacia 1820, se usaron rebaños de ovejas; posteriormente, rodillos pesados de concreto o fierro. Dicha practica fue llevada a California, EUA, por ingenieros europeos y aplicada en 1860. En ese mismo Estado se desarrolló el rodillo pata de cabra (1950, con clavos de durmientes de unos 15 cm de longitud. Los resultados fueron satisfactorios y en 1970 se compactó la presa Drum, con este tipo de rodillo.
9
En esa época no se conocía la influencia del contenido de aguas del suelo en la compactación. Varias presas construidas en Estado Unidos colocando la tierra sin controlar la humedad fallaron al entrar en operación; en la actualidad se supone que la estructura tenía capas compactadas en estados seco y otras húmedas construidas durante el periodo de lluvias. En EUA nacieron varias tendencias respecto, una proporcionado la colocación de la tierra con tal contenido de agua que era realmente lodo, y otra, aceptando el suelo en su condición natural, que en las zonas áridas esta muy próximo al estado seco. Por su interés histórico, son dignas de atención las notas de Sherard (1952) en su tesis doctoral sobre el comportamiento de presas de tierra. Hasta que Proctor público en 1933 los resultados de sus estudios sobre compactación, los ingenieros comprendieron la importancia de ciertos parámetros como la humedad óptima y la energía de compactación en las propiedades mecánicas de los suelos. Los nuevos conceptos tuvieron de los suelos. Los nuevos conceptos tuvieron una difusión rápida. Pronto se comprendió que no había razón para colocar los filtros y las transiciones sin compactar, y se desarrollaron rodillos vibraciones adecuados para este trabajo. Hasta hace una década era usual exigir la colocación en capas de 20 a 30cm, transmitidas con las bandas de un tractor D8 o equivalente. La mayoría de las estructuras, tienen enrocamientos colocados a volteo, en capas de espesor variable entre 2.5 y 5.0m, extendidas con tractores. Las especificaciones de presas en construcción desde 1970, disponen que las zonas de grava y arena o enrocamiento con partículas de tamaño menor de 30 cm., se coloquen en capas de 50 cm. De espesor y compacten con rodillo liso vibratorio de 10 ton. Esto da una idea de la evolución observada de las presas de materiales compactados. Dicho está ligado estrechamente a los estudios de laboratorio sobre las propiedades de suelos sometidos a compactación y, desde hace menos de una década, a las investigaciones del mismo tipo aplicadas a los suelos granulares gruesos. Paralelamente se construyen equipos adecuados, tales como rodillos pata de cabra, lisos, con vibradores y sin ellos; de llanta de hule, algunos que pesan 10ton. Pisones neumáticos, tractores con banda metálica o llanta neumática, etc. Estos, conjuntamente con la fabricación de camiones de veloces de gran tamaño (17m 3 de capacidad), palas mecánicas y cargadores eficientes, y el desarrollo de métodos más racionales para la exploración de roca, han permitido reducir los costos al mismo tiempo construir las presas en lapsos más cortos. Las características de la seccionen una presa de materiales compactados dependen de la disponibilidad de suelos y rocas, de las propiedades mecánicas, de la topografía del lugar y de las condiciones geológicas. A 10
continuación se describen secciones típicas y se indican las razones principales que influyen en su elección. 2.2.1. Presas Homogéneas. Construidas casi exclusivamente con tierra compactada, tiene por lo menos una protección contra el oleaje en el talud de aguas arriba. Fue el tipo usual de estructura en el siglo pasado. Por condiciones propias de la cimentación y de los materiales disponibles se construyen cortinas importantes de este tipo en la actualidad, con algunas modificaciones que se indican a continuación.
2.2.2. Presas homogéneas con filtros. Con objeto de que el flujo de agua a través de la masa de tierra no intercepte el talud de aguas abajo, con los inconvenientes que se analizaran más adelante; la versión moderna de la presa homogénea es la que se muestra a continuación. Tiene en la base del terraplén un filtro formado con arena bien graduada; el espesor y longitud de este elemento son susceptibles de diseño mediante estudios de flujo en la masa de tierra.
Cuando los materiales que se usan en la cortina son sensibles al agrietamiento y la presa se cimienta sobre suelos compresibles o existen otras razones para prever la formación de grietas en el terraplén, se han incluido en el un dren vertical o chimenea, que se conecta en un filtro horizontal, o bien a un sistema de drenes alojados en la cimentación. Se 11
interceptan así las grietas transversales a la cortina, y en el agua que pueda circular por ellas se conducen por los drenes aguas abajo, sin correr el riesgo de una peligrosa tubificación en la masa de tierra.
Una condición de trabajo importarte en las presas homogéneas es el “vaciado rápido”. La acción tiene lugar en el talud de aguas arriba; al tratar el problema se estudiarán métodos para determinar su efecto en la estabilidad. En época reciente se ha recurrido a la colocación de filtros en el interior de la masa próxima al parámetro mojado, para reducir las fuerzas de filtración en dicho talud.
2.2.3. Presas de materiales graduados. Se ha dado este nombre a las presas en que los materiales se distribuyen en forma gradual, de los suelos finos en el corazón, pasando por los filtros y transiciones en el enrocamiento, en los que también se trate de colocar el material respetando la misma idea. Esto no siempre puede lograrse, pues depende de que se tenga en el sitio la serie de materiales antes descritos.
12
2.2.4. Presa de enrocamiento. Las presas de enrocado tienen características intermedias entre las presas de gravedad y las presas de tierra. La presa de enrocado tiene dos componentes estructurales básicos: una membrana impermeable y un terraplén que soporta a la membrana. El dique generalmente consiste en una sección aguas arriba de piedra seca o mampostería y una sección aguas abajo de enrocado suelto. La sección de las presas de enrocado incluye un elemento impermeable discreto de relleno de tierra compactada, concreto esbelto o una membrana bituminosa. La designación como "presa de roca" o "presa de enrocado" es apropiada cuando más del 50% del material de relleno se pueda clasificar como roca, es decir, material resistente a la fricción de granulometría gruesa, como en el caso de piedras de naturales permeables compactadas o descargadas. La práctica moderna es especificar un enrocado bien graduado, de alta compactación en capas más bien delgadas mediante un equipe pesado. En esencia el método de construcción es, por tanto, similar al de una presa de relleno de tierra. Las masas de roca en estas presas son voluminosas comparadas con el corazón impermeable. Este puede ocupar la parte central, o bien ser inclinado hacia aguas abajo. Se prefiere dicha forma por su facilidad de construcción, pues disminuye las interferencias del tránsito de quipo dentro de la cortina, y en algunos casos el programa receptivo se adapta mejor a las condiciones climáticas del lugar. Debe tenerse presente que la roca puede colocarse en época de lluvia o nieve, mientras que ese trabajo es prácticamente imposible en el corazón, a menos que el proyecto de la cortina tolere fuerte discrepancias en la humedad del suelo o se adopten precauciones especiales.
13
Un caso límite de este tipo es la presa de enrocamiento con pantalla impermeable, sea de concreto o de asfalto, en el parámetro mojado.
También se han construido estructuras con un muro de concreto o de mampostería, lleno o celular, al centro.
14
Un problema típico de las primeras es la junta de la pantalla con la cimentación y empotramientos. Los asentamientos diferenciales son causa de roturas en la unión y por tanto de filtraciones. Este problema es de tal importancia que a menos que sea factible vaciar la presa para realizar reparaciones después de los primeros años de funcionamiento, no es un diseño aceptable. Por razones semejantes, los muros interiores sufren fracturamiento y siempre causan filtraciones. La compactación de los enrocamientos puede ocasionar que, en un futuro no lejano, dichos problemas se reduzcan a su mínima expresión y resulte una solución conveniente. La presa de enrocamiento con corazón de tierra compactada, central o inclinada, son las más altas ejecutadas por el hombre. En la URSS, la presa Nurek, actualmente en construcción, tendrá 300m de altura; la de Oroville, en EUA, y Mica en Canadá son de más de 200m sobre el lecho del río. En México las presas de, El Infiernillo, La Angostura y Netzahualcoyotl alcanzan cerca de 150m. La PRESA Furnas, Brasil, de corazón inclinado, es de 130m aproximadamente. 2.2.5. Presas con Delantal o con Pantalla. Es frecuente encontrar depósitos de aluvión permeables en él cause del río. Cuando su espesor es menor de 20m, se prefiere llevar el corazón impermeable hasta la roca mediante una trinchera, como es el caso de la presa Álvaro Obregón, Sonora y El Infiernillo sobre el río Balsas. Pero si tales depósitos son gruesos o muy permeables, como ocurre en la presa Abelardo L. Rodríguez, Son. , Y José M. Morales (La Villa), Michoacán, ambos del orden de 80m de espesor y coeficiente de permeabilidad de 10¹ y 1 cm/ seg. En promedio, respectivamente, no sería económico excavar trincheras.
15
Entonces, hay dos tipos de solución: a) El delantal de arcilla compactada, prolongación horizontal del corazón hacia aguas arriba. b) La pantalla impermeable formada a base de inyecciones (Serre Poncon, Francia), o bien con pilotes o muros de concreto simple colados in situ (La Villata), o por último, sustituyendo l agrava y arena del río por lodo en una trinchera de 3m de ancho excavada a través del cauce (Las Tórtolas, Durango).
Los métodos de construcción en los tres casos son muy especializados. La presa de Aswan, en Egipto, combina el delantal de tierra compactada con pantallas de inyecciones. La adopción de los tipos de presas de tierra y roca descritos responde, mas que a una idea preconcebida, a la conveniencia de construir una estructura económica y segura con los materiales que existen en la vecindad de la boquilla, teniendo en cuanta las condiciones geológicas y de cimentación que en ella prevalecen. Por tanto, no es posible anticipar 16
soluciones sin conocer las características de la roca en los empotramientos y el fondo del rió, las propiedades mecánicas de los materiales que se van a usar y los volúmenes explotados, así como las condiciones topográficas, hidrológicas y sísmicas del lugar. En suma, dicha solución es consecuencia de los estudios de mecánica de suelos y de rocas aplicados con criterio económico en la obtención de la estructura que mejor satisface las finalidades del proyecto y cumple con requisitos mínimos de seguridad sancionados por la experiencia adquirida previamente en este tipo de obras.
17
2.3. DEFINICIÓN DE TÉRMINOS. La mayoría de los términos que se utilizarán, frecuentemente aparecen ilustrados en la figura y se describen a continuación.
Cortina o presa. Ambos términos se emplearán como sinónimos, para designar la estructura que tiene por objeto crear un almacenamiento de agua o derivar el río. En algunos casos, a fin de evitar excesivas repeticiones, se usará la palabra terraplén. Boquilla o sitio. Lugar escogido para construir la cortina. Sección de la cortina. En general, es cualquier corte transversal de la presa; pero a menos que se especifique la estación o escurrimiento de dicho corte, es la sección de máxima altura de la cortina. Altura de la cortina. Se define como la distancia vertical máxima entre la corona y la cimentación, la cual no necesariamente coincide con la medida desde el cauce del río, por la presencia de depósitos aluviales. Corona o cresta. Es la superficie superior de la cortina que, en ciertos casos, puede alojar a una carretera o la vía de un ferrocarril; normalmente, es parte de la protección de la presa contra oleaje y sismo, y sirve de acceso a otras estructuras. Talud. Es cualquier plano que constituye una frontera entre los materiales de la cortina o con el medio circundante. Se medirá por la relación de longitudes entre el cateto horizontal y el vertical; por ejemplo, un talud 3.5:1 significa que la cotangente del ángulo que forma el plano o traza con la horizontal es de 3.5. Corazón impermeable. También llamado núcleo de tierra, es el elemento de la presa que cierra el valle al paso del agua contenida en el embalse o vaso. 18
Respaldos permeables. Son las masas granulares que integran con el corazón impermeable, la sección de la cortina. Pueden estar formados, como es el caso de la fig. 16, por filtros, transiciones y enrocamientos. NAME: Abreviación del nivel de aguas, máxima extraordinario; Es la evaluación del agua en el vaso cuando la presa está llena y además funciona el vertedor a su máxima capacidad. Hay otros niveles usuales en presas, como son el de aguas máximas ordinarias (CV), el nivel medio de operación, el mínimo de operación y el máximo azolves. La diferencia entre la elevación de la corona y el NAME es bordo libre.
19
2.4. TIPOS DE SECCION. Es costumbre llamar " sección de una presa de tierra " a la forma que resulta de un corte vertical y transversal del eje de la presa. La distribución de los materiales debe satisfacer los requisitos de buen funcionamiento y mínimo costo, lo cual depende, para cada sitio en, particular, las propiedades mecánicas, volúmenes y distancias de acarreo de los materiales disponibles y de las características de la cimentación. Las posibles combinaciones de estos factores dan lugar a un sin numero de secciones, pero estas pueden agruparse en tipos, adaptables a los diversos conjuntos de combinaciones que prevalezcan en distintos sitios, de manera que se cumplan satisfactoriamente los requisitos de seguridad y economía. Es frecuente que el diseñador tenga que comparar entre si mas de un tipo de sección y algunas de sus variantes, antes de llegar a la solución mas conveniente. Desde el punto de vista del funcionamiento de una presa de tierra, importa al ingeniero que lo materiales disponibles en un sitio dado, se distribuyan en la sección de manera tal que resulte una presa capas de soportar los efectos exteriores a que estará sometida y de retener el agua; es decir, una presa estable e impermeable. La estabilidad depende, principalmente, aunque no únicamente, como se verá más adelante, de la resistencia de los materiales al esfuerzo cortante, mientras que la estanqueidad está íntimamente asociada a su permeabilidad. Es frecuente que los materiales resistentes al corte, ejemplificados por aquellos que están constituidos predominantemente por granos macroscópicos, sean también los mas permeables e inadecuados para proporcionar estanqueidad y que, los materiales de mínima permeabilidad, capaces de cumplir esta función, ejemplificados por los suelos constituidos principalmente por partículas microscópicas, sean los de mínima resistencia al corte. En raras ocasiones, se han empleado materiales formados por una combinación natural de partículas gruesas y finas, en proporciones tales que hacen a esos suelos impermeables y, a la vez, a la resistencia al esfuerzo cortante Atendiendo a las funciones que desempeñan los materiales en la sección, se distinguen aquí los siguientes tipos básicos de secciones de presa de tierra.
20
2.4.1. Sección homogénea. Constituida en su mayor parte en un solo suelo que proporciona simultáneamente la impermeabilidad y estabilidad necesarias. Se emplean en ese tipo de sección suelos finos, limosos y arcillosos y suelos gruesos con alto contenido de finos, que tienen baja permeabilidad. Normalmente intervienen, en volúmenes menores, otros materiales auxiliares (enrocamiento, gravas y arenas) que contribuyen a proteger al elemento principal Fig. 17. 2.4.2. Sección graduada Cuando se dispone de volúmenes suficientes de suelos con diferente permeabilidad, éstos pueden distribuirse en la sección de acuerdo con su permeabilidad, como lo muestra, el esquema. Fig. 18. Se distingue en la sección graduada en varias zonas que desempeñan diferentes funciones: la zona uno, proporciona la impermeabilidad y una parte de la estabilidad, dependiendo de sus propiedades mecánicas, se emplean en ella suelos finos, limosos o arcillosos, o suelos gruesos con alto contenido de finos que les comunica baja permeabilidad. La zona 2 está formada por suelos permeables o semipermeables, cuyas permeabilidades del orden de 100 veces o mayor que la zona 1. Se utiliza grava y arenas de buena calidad o graduación, con bajo contenido de finos o limpias. Esta zona funciona como filtro protector de la zona 1 y proporciona una parte de la estabilidad es además un elemento de transición entre la zona 1 y 3. Esta ultima, formada por materiales pesados y de alta resistencia al corte, aporta, junto con la zona 2, la mayor parte de la estabilidad. La zona 3 se forma con grava gruesa, mezcladas de grava, arena y voleos o enrocamiento. Los enrocamientos auxiliares, indicados con él numero 4, sirven de protección contra erosión del oleaje de la lluvia al resto de la sección, pudiendo algunas veces ser sustituidos en esta función por el material de la zona 3, cuando ésta queda formada por enrocamiento. 2.4.3. Sección Mixta. Integrada por un corazón impermeable, formadas por materiales como los que se emplean en la sección homogénea, que contribuye poco a la estabilidad, y respaldos muy importantes de enrocamiento o boleos, gravas y arenas, de alta permeabilidad, que aporta la mayor parte de estabilidad, con su alta resistencia al corte. Los respaldos de enrocamiento se separan del corazón, por capas de poco espesor que funcionan como filtros. Si los respaldos están formados por mezclas de gravas, arena y cantos rodados, se puede suprimir los filtros Fig. 19. Las condiciones de la cimentación comunican a estos tres tipos básicos algunas variantes dignas de mencionarse. En los casos que la cimentación está formada por depósitos permeables de poco espesor, como los suelos 21
gruesos, limpios, éstos se interceptan con una prolongación, hacia abajo, del corazón o elemento impermeable. Esta variante reduce el gasto de filtración a través de la cimentación y el gradiente hidráulico medio. La adición de filtros, construidos con gravas y arenas de buena graduación ya sea en forma de delantales, o filtros al pie de talud de aguas abajo, constituye otras variantes de las formas generales. Es evidente que, dependiendo de los materiales disponibles en el sitio, pueden hacerse diversas combinaciones de los tres tipos de sección básicos y sus variables.
1. 2. 3. 4. 5.
– – – – –
Materiales permeables. Material permeable, bien graduado. Enrocamientos. Enrocamiento. Roca fina (grava). 22
CAPITULO III. ESTUDIOS BÁSICOS 3.1. PRINCIPIOS DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PRESAS DE TIERRA Y ENROCAMIENTO. Los métodos que se siguen en la actualidad para diseñar una presa de tierra y enrocamiento son el resultado de la experiencia, basada principalmente en la observación del comportamiento de este tipo de estructuras. El origen de este resultado se desconoce. Sin embargo, algunos reportan que los chinos construían ya presas de tierra desde hace unos 2000 años. Desde entonces y hasta principios del presente siglo el diseño era puramente empírico, en muchos casos, como lo ha demostrado el estudio de algunas fallas ocurridas, con un desconocimiento casi completo de las características de los materiales que intervienen en la construcción y de los diversos fenómenos a que dichos materiales estaban sujetos. Tal situación daba por resultado un número considerable de fallas desastrosas y creaba la impresión de que una presa de tierra y enrocamiento no era una estructura digna de confianza en cuanto a seguridad. En el primer cuarto de este siglo, con la aparición de la Mecánica de Suelos, el diseño de las presas de tierra entró en una etapa en la que el empirismo se ha ido sustituyendo con el conocimiento de las propiedades de los suelos y el análisis de las causas que han provocado las fallas ocurridas en el pasado, para dar lugar a los métodos modernos de diseño y construcción, que permiten al ingeniero realizar ese tipo de obras con tanta o mayor seguridad que la que puede ofrecer una presa de concreto. Esto resulta particularmente cierto en aquellos casos en que las condiciones de la cimentación no permitirían construir una presa de concreto segura. Lo anterior no implica, en modo alguno que los problemas inherentes al diseño y construcción de las presas de tierra y enrocamiento están totalmente resueltos en la actualidad. Por el contrario, aún queda mucho por hacer a este respecto, como se verá al entrar en materia en páginas subsecuentes, cuya finalidad es exponer, en forma breve, los principios básicos de los métodos actuales de estabilidad de taludes en las cortinas, haciendo especial hincapié en la relación que existe entre dichos y los fundamentos de la Mecánica de Suelos. 3.1.1. Datos para el proyecto. Los datos necesarios para el proyecto de una presa de tierra que se discuten a continuación, y se describen los estudios de las cimentaciones y las fuentes de materiales de construcción. El detalle necesario y la precisión de los datos estarán gobernados por la naturaleza del proyecto y su propósito inmediato; es decir, si el proyecto se va a utilizar como base de un presupuesto para determinar su costo y viabilidad, si el proyecto es para obtener datos de construcción, o si va a servir para un objeto intermedio.
23
La extensión de los estudios de las cimentaciones y fuentes de materiales de construcción también estará gobernada por la complejidad de la situación. 3.1.2. Bases para el proyecto. El principio básico de proyecto es construir una estructura, satisfactoria y funcional al costo total mínimo. Se debe dar la debida consideración a las necesidades de mantenimiento, de manera que las economías obtenidas en el costo inicial de construcción no resulten en costos excesivos de mantenimiento. Estos últimos casos variarán con el tipo de protección de los taludes de aguas arriba y aguas abajo, los dispositivos de drenaje, y con el tipo de estructuras accesorias y el equipo mecánico. Para que el costo sea mínimo, el dique debe proyectarse para la máxima utilización de los materiales más económicos de que se disponga, incluyendo los materiales que deban excavarse para sus cimentaciones y las de las estructuras auxiliares. Las presas de tierra y enrocamiento deben ser seguras y estables durante todas las fases de la construcción y de la operación del vaso. Para lograrlo, se deben satisfacer los siguientes requisitos: 1. El terraplén debe estar asegurado contra el rebasamiento durante las avenidas de proyecto, disponiendo suficiente capacidad en el vertedor de demasías y en las obras de toma. 2. Los taludes de los terraplenes deben ser estables durante la construcción y en las condiciones que se presenten durante la operación del vaso, incluyendo el rápido desembalse en el caso de las presas de almacenamiento. 3. El terraplén deberá proyectarse de manera que no produzca esfuerzos excesivos la cimentación. 4. Se deben controlar las filtraciones a través del terraplén, de la cimentación y estribos, para que no se produzca erosión interna y por lo mismo no haya derrumbes en el área donde las filtraciones emergen. La cantidad de agua perdida por tracción debe controlarse para que no interfiera con las funciones proyectadas para la obra. 5. El terraplén debe estar asegurado contra el efecto de rebasamiento por el oleaje. 6. El talud de aguas arriba debe estar protegido contra la erosión producida por oleaje, y la corona y el talud de aguas abajo deben estar protegidos contra erosión producida por el viento y la lluvia. Las presas de tierra proyectadas para satisfacer las anteriores condiciones serán permanentemente seguras, siempre que se empleen los métodos de construcción y de control correctos.
24
3.2. NORMAS GENERALES DE CONSTRUCCIÓN El proceso de construcción de una presa de tierra comprende las siguientes etapas: 1. Limpia de la cimentación y desvío del río. 2. Excavación de trincheras, a través de depósitos permeables, cuando éstas son necesarias. 3. Tratamiento de la cimentación. 4. Colocación de los materiales que constituyen al cuerpo de la cortina. Los procedimientos de construcción que se sigan en cada una de las etapas, deben satisfacer todos los requisitos de diseño estudiados con anterioridad. Es por ello conveniente tratar brevemente algunos aspectos relativos a la construcción, estableciendo los criterios a seguir en cada una de sus etapas. 3.2.1. Limpia de la cimentación Estos trabajos tienen por objeto garantizar el buen contacto entre las zonas impermeables de la presa y la roca de su cimentación, eliminando, mediante excavación, la tierra vegetal ó la roca que se encuentra alterada ó fracturada en la superficie. La profundidad de excavación en la roca intemperizada debe establecerse exclusivamente en función de las condiciones locales, ya sea que éstas hayan sido descubiertas durante el estudio geológico previo ó que se manifiesten al iniciarse las excavaciones. Se especifica por lo general una excavación mínima de 1.50 m. y hasta de 3 m. de profundidad, para remover la roca suelta ó fuertemente fisurada, que se encuentre en la zona del contacto de los materiales impermeables; aunque, en ocasiones se requiere llegar a mayores profundidades para encontrar la roca sana, en algunas zonas del área de contacto; tal es el caso de la presa de la Vega, que muestra la figura 10. Las especificaciones sobre este particular no deberán ser nunca inflexibles y, aun en el caso de disponer de amplios estudios previos, el ingeniero deberá estar siempre a la expectativa de condiciones geológicas imprevistas. 3.2.2. Desvió. Es común que, simultáneamente con las operaciones de limpia de la cimentación se inicien los trabajos necesarios para desviar la corriente del río, en preparación de los trabajos de excavación subsecuentes que haya necesidad de ejecutar. La obra de desvío consiste generalmente en uno ó varios túneles a través de la ladera, que podrán utilizarse posteriormente para alojar la obra de toma, ó bien en zanjas a cielo abierto excavadas al pie de alguna ladera que permitan construir un canal de desvío localizado sobre roca sana; es frecuente que dicho canal se emplee también para alojar los conductos de la obre de toma cuando se trata de conductos que pasan a través del cuerpo de la cortina; véanse los esquemas de las figuras 11 y 12. En todos estos trabajos de excavación en la roca, debe restringirse en lo posible el empleo de dinamita, ya que el abuso de los explosivos se traduce en incremento importante del fisuramiento, lo cual empeora las 25
condiciones de permeabilidad de la cimentación. Una vez terminados todos los túneles ó tajos de desvío, se construyen las ataguías de aguas arriba y aguas abajo para conducir el agua del río a través de la obra de desvío y mantener en seco el sitio, de manera que puedan realizarse la operaciones de limpia y preparación de la cimentación en la zona del cauce. Dichas ataguías son pequeñas presas construidas de enrocamiento ó de grava y arena e impermeabilizadas con una pantalla de material arcilloso ó limoso, en el lado mojado correspondiente; a menudo, las ataguías pasan a formar parte de los respaldos ó zonas permeables de la presa posteriormente. 3.2.3. Colocación de los materiales en el terraplén. Una vez que la cimentación se encuentra en las condiciones deseadas se procede a colocar los materiales que constituirán el terraplén de la cortina. En esta etapa, es importante cerciorarse de que dichos materiales se coloquen en las condiciones especificadas por el diseñador, a fin de lograr que sus propiedades mecánicas sean del mismo orden de magnitud que las previstas en el diseño. Hasta el presente estas especificaciones han producido resultados satisfactorios, ya que, el contenido de humedad con que se colocan estos materiales es suficientemente alto para facilitar el acomodo a los asentimientos diferenciales sin agrietarse y, el grado de saturación, que resulta generalmente menor de 85 %, permite asegurar que la mayor parte de los asentamientos debido a la compresión de los materiales del terraplén se produzcan mediante el proceso de construcción. Las presiones de poro que se desarrollan en los materiales impermeables durante la construcción están, de antemano, consideradas en los análisis de estabilidad para condiciones iniciales, basados en los resultados de las pruebas triaxiales del tipo rápido, según se explico con anterioridad. Cuando se tienen cimentaciones compresibles de las que se esperan deformaciones posteriores a la construcción y existe el riesgo de asentamientos transversales del corazón impermeable es deseable obtener materiales capaces de adaptarse a las deformaciones diferenciales que se producirán en el futuro, sin que se desarrollen agrietamientos, para tal fin es conveniente aumentar el contenido de agua en colocar los materiales del corazón impermeable a valores que exceden de la humedad óptima de 2 en 2 al 4 %. En las zonas permeables de la cortina, constituidas por grava y arena, debe alcanzarse una compacidad relativa superior al 70 % con objeto de garantizar que los asentamientos de estas zonas sean mínimos y que no se reducirán problemas de licuación. Los enrocamientos deben colocarse a volteo, procurando que la roca contenga el mínimo posible de finos, por lo que es recomendable, en caso de que el banco de roca este contaminado de limos y arcillas, se someta la roca a un lavado previo antes de depositarse en la cortina.
26
CAPÍTULO IV. NOCIONES PRELIMINARES PARA LA ESTABILIZACION DE LAS CORTINAS EN PRESAS DE TIERRA Y ENROCAMIENTO. 4.1. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES Al hacer el diseño de una presa de tierra y enrocamiento, el ingeniero debe tener presentes una serie de propiedades de los materiales de que dispone para formar el cuerpo de la presa y de los que existen en su cimentación. Podrían mencionarse, por ejemplo, propiedades como la permeabilidad, resistencia al corte, la compresibilidad etc. Las cuales tienen un amplio rango de variación en los diferentes tipos de suelos. De aquí que sea conveniente, antes de entrar en los problemas de estabilización, tratar acerca de la clasificación de suelos con el objeto de tratar con diferentes factores que afectan sus propiedades mecánicas, al mismo tiempo que se establezca una convención para ordenarlos en grupos con características semejantes. De las diversas convenciones que existen para clasificar a los suelos, se ha elegido aquí el sistema conocido como "Sistema Unificado de Clasificación de Suelos"(S.U.C.S), no sólo por considerársele uno de los más descriptivos sino que, además, por haber sido adoptado por varias organizaciones interesadas en este campo de la ingeniería, facilita el intercambio de información sobre el tema. Con objeto de explicar mejor el sistema de clasificación antes mencionado, y que su aplicación sea de utilidad práctica para el ingeniero, es necesario describir primero los factores de los cuales dependen, principalmente, las propiedades mecánicas que a éste le interesan. 4.1.1. Granulometría. Las propiedades mecánicas de los suelos están íntimamente relacionadas con el tamaño y la forma de las partículas que los integran. Un suelo puede estar constituido predominantemente por partículas de tamaños muy semejantes entre sí, o bien, puede encontrarse con él una gran diversidad de tamaños, variando desde aquellos que no son visibles aun con los mejores microscopios ópticos (partículas coloidales) hasta piedras de 8 a 10 cm. Si se hace pasar una porción de suelo a través de una serie de mallas o tamices de aberturas conocidas, como los que indica la tabla 1, en cada una de ellas se irán deteniendo partículas cuyo tamaño es mayor que la abertura de la malla que los retiene y menor que la inmediata superior.
27
Esta cifra corresponde al número de hilos por pulgada que forman a la malla. Tabla. I. – Aberturas de mallas del sistema Tyler.
De esta manera puede establecerse la proporción relativa, en peso, de los diversos rangos de tamaño que constituyen el material en cuestión. Cuando tienen dichas proporciones para un suelo dado se dice que se conoce su granulometría, o su textura. 4.1.2. Graduación. Cuando un suelo está constituido por partículas de gran variedad de diámetros, se dice que el suelo es de buena "graduación". La curva granulométrica es continua y suave. Si la curva presenta tramos horizontales o verticales significa, respectivamente, que falta o predomina cierto rango de tamaños y se considera un suelo de "mala graduación". Una línea vertical significa que ese suelo está formado por partículas de tamaño muy semejante entre sí y se conoce como "suelo uniforme". Un suelo uniforme es generalmente más poroso y ligero y menos resistente que otro bien graduado. 4.1.3. Forma. Independientemente de su tamaño, las partículas del suelo pueden tener formas redondas, subredondas, angulares o laminares, como se muestra en la figura. La forma influye en las propiedades mecánicas; por ejemplo: un suelo compuesto en su mayor parte por granos gruesos (mayores de 4.76 mm.) de forma angular, exhibe una mejor trabazón entre sus partículas que otro de igual granulometría pero de granos redondos. Esto se traduce en una mayor resistencia al desplazamiento relativo de las partículas, en el primer caso. Por lo que respecta a los suelos de las partículas finas, la forma es aún más importante. Los coloides de forma laminar alargada poseen propiedades electroquímicas que son mucho más intensas que en los de forma redondeada. Esta diferencia se refleja en las propiedades plásticas de los suelos finos.
28
4.1.4. Plasticidad. Es un hecho bien conocido que, al mojar una tierra constituida por limo y arcilla, se vuelve blanda, formando lodo que al secarse se endurece en grado variable o se vuelve polvo. Estos sencillos fenómenos son, en realidad de naturaleza, físico químico muy complejo, y que constituye la base de las pruebas desarrolladas por Atterberg para estudiar las variaciones de la consistencia de los suelos finos con los cambios de humedad. Atterberg introdujo los siguientes conceptos que se conocen como " límites de consistencia", o de "Atterberg". 4.1.5. Estructura. Además de la granulometría, la graduación y la plasticidad, la manera como se asocian las partículas entre sí, es decir, la estructura del suelo, es también un factor importante en las propiedades mecánicas, se distinguen tres tipos de estructura: " La granular”, "La apanalada " y la " La flocúlenla"; que se muestra en la figura La primera es propia de materiales formados principalmente por granos mayores que los de limo; la segunda es típica de suelos limosos, uniformes, de estructura suelta, y la ultima de arcillas coloidales floculentas depositadas en agua. Pueden encontrarse muchas combinaciones de estos tres tipos de estructura. 29
GRANULAR
APANALADA
FLOCULENTA
Fig. 21. Tipos de estructuras de los suelos
4.2. SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACION DE SUELOS (SUCS). Este sistema, originalmente introducido por el Dr. A. Casagrande como “Sistema de clasificación de suelos para Aeropuertos”, durante los años de la segunda Guerra Mundial, fue ligeramente modificado, posteriormente por el “U.S. Army Corps of Engineers” y el “U.S. Bureau of Reclamation”, para adoptarlo a usos en caminos, presas de tierra y cimentaciones; actualmente se le conoce como Sistema Unificado. Este sistema ofrece la doble ventaja de ser fácilmente adaptable al campo y al laboratorio, requiriendo poca experiencia y unas cuantas pruebas sencillas para determinar el grupo al cual pertenece un suelo dado. Por tomar en cuenta la granulometría, la graduación y las características de la plasticidad, describe a los suelos de tal manera que es fácil, con un poco de criterio, asociar a cada grupo de suelo el orden de magnitud de las características mecánicas, más importantes y, por consiguiente, su adaptabilidad a diversos usos en la construcción. El cuadro se muestra, en resumen, los principios sencillos en que se basa el sistema unificado. Comienza por dividir los suelos en dos grandes categorías: suelos “gruesos” y suelos “finos”. Los primeros son aquellos constituidos por más de 50%, en peso, de partículas gruesas, considerando como tales las retenidas en la malla Num. 200(0.074 mm). En los segundos., las partículas finas, limo y arcilla, constituyen más del 50%. Los suelos gruesos, también denominados “granulares”, se subdividen en “gravas” y “arenas” según que, más, o menos del 50% de las partículas gruesas sean retenidas por la malla Núm. 4. En el laboratorio pueden precisarse estos datos mediante el análisis granulométrico, pero en el campo se requiere un apoca de experiencia para apreciar a ojo los porcentajes relativos de cada uno de los componentes gruesos. Es útil saber que las partículas de 0.074 mm, son las más pequeñas que pueden distinguirse a simple vista y que el tamaño de la malla 4 es, aproximadamente, 5 mm.
30
4.3. PROPIEDADES GENERALES DE LAS FRACCIONES DE UN SUELO Para tener un concepto claro de las propiedades que puede tener una mezcla de diferentes proporciones de gruesos y finos es muy instructivo conocer las características de cada fracción de suelo aisladamente. 4.3.1. Gravas y Arenas. Las gravas y arenas bien graduadas son materiales muy estables y cuando carecen de finos son muy permeables. Las gravas son más estables y permeables que las arenas gruesas y estas más que las arenas finas. Las arenas finas muy uniformes, (mal graduadas) son, en cambio, más permeables y menos estables que las bien graduadas. Estas propiedades de las fracciones gruesas dependen mucho de la graduación, forma y tamaño de las partículas. 4.3.2. Limo y arcilla. El limo y la arcilla constituyen la fracción fina de un suelo y muy pequeñas proporciones de ellos pueden modificar considerablemente las propiedades de la fracción gruesa, especialmente su permeabilidad y capilaridad, pues en los suelos gruesos bien graduados basta un 12% de finos para volverlos prácticamente impermeables. Es fácil confundir a la simple vista de un limo con una arcilla cuando se encuentran secos y pulverizados, pero húmedas se distinguen muy fácilmente mediante tres pruebas manuales. A continuación se dan las propiedades distintivas de estas dos fracciones. Los limos son los finos no plásticos; son sumamente inestables cuando están saturados, son impermeables y difíciles de compactar y en los lugares de invierno riguroso existe el peligro de que se hinchen por efecto de la congelación. A diferencia de las arcillas, en los limos el agua no se adhiere a las partículas con tanta fuerza, lo cual les proporciona una mayor movilidad; esto hace que, al agitar una pastilla de limo saturado, en la mano, el agua a parezca rápidamente en la superficie, dándole una apariencia lustrosa. Cuando esta seca se puede pulverizar fácilmente entre los dedos y al hacerlo polvo da una sensación al tacto como de harina. La compresibilidad de un limo compactado depende, en gran parte de la forma y tamaño de las partículas; cuando estas son grandes y redondeadas es menos compresible y el limite liquido tiene valores de alrededor de 30%; si son partículas muy finas como las de la tierra de diatomeas, o laminares como la de los limos micáceos, es muy comprensible y su limite liquido varia de 50 a 100% o más. El poder retentivo de la humedad es menor en el limo que en la arcilla y, para igual valor del límite líquido, el índice de plasticidad es menor que el primero.
31
Las arcillas son los finos plásticos del suelo y sus características mecánicas se ven importantemente afectadas por el contenido de humedad, cuando este es alto poseen una baja resistencia al esfuerzo cortante, mientras que en estado seco la resistencia llega a ser muy considerable, lo cual se comprueba fácilmente al tratar de desmoronar un trozo de arcilla seca entre los dedos. Por otra parte, al permitir el secado de una arcilla húmeda, se observa que se contrae con la reducción de humedad, y se expande cuando esta aumenta. La compresibilidad también varia con los cambios de humedad, siendo mayor para un contenido de humedad alto. Estas propiedades de la arcilla se atribuyen al comportamiento de las partículas de tamaño coloidal (menor que 0.0002 mm) a las cuales el agua se adhiere por atracción molecular, formando una película de espesor variable según la cantidad de agua disponible y las características eléctricas del coloide; esta agua eléctricamente adherida se conoce como agua adsorbida. Cuando el agua se evapora el espesor de las películas disminuye y las partículas se acercan entre sí; en cambio, si se dispone de agua abundante el espesor de la película aumenta y las partículas se separan; esto explica las variaciones del volumen de la arcilla con las variaciones de humedad. La variación de resistencia al esfuerzo cortante se atribuye que al cambiar el espesor de las películas de agua cambia la separación entre películas coloidales y varia la fuerza atractiva molecular entre ellas y que consecuentemente, su resistencia al desplazamiento; de aquí que, mientras mayor sea el espesor de las películas, las partículas estén sometidas a una menor fuerza atractiva y ofrecen una menor resistencia al desplazamiento que si las películas fueran delgadas. La variación de la compresibilidad puede también explicarse con los mismos conceptos; cuando las películas son gruesas el suelo es muy poroso y la resistencia al desplazamiento relativo de sus partículas más alta, como sucedería si las partículas de agua adsorbido fuesen delgadas. La resistencia de una arcilla no solamente varia con el contenido de humedad; si se toma un trozo de arcilla en estado natural y se le amasa con la mano, sin cambiarle el contenido de humedad se observa que su resistencia disminuye en mayor o menor grado, según la clase de arcilla de que se trate y su historia geológica, por ejemplo, las arcillas volcánicas de un deposito lacustre del Valle de México son accesibles al premoldeo que las arcillas marinas de Guaymas, otra característica interesante de la arcilla, desde el punto de vista de la construcción consiste en que la resistencia que se pierde con el premoldeo se recupera parcialmente con el tiempo; este fenómeno se le conoce con el nombre de "tixotropía" y es de naturaleza físicoquímica pero no ha sido bien estudiado todavía. El cuadro muestra, en resumen, los principios sencillos en que sebasa el sistema unificado. Comienza por dividir los suelos en dos grandes categorías: suelos "gruesos" y suelos "finos". Los primeros son aquellos constituidos por mas de 50%, en peso, de partículas gruesas, considerando como tales las retenidas en la malla Num. 200(0.074 mm). En los segundos., las partículas finas, limo y arcilla, constituyen más del 50%. 32
4.4. CLASIFICACION DE LAS GRAVAS Y ARENAS. Las gravas se clasifican según su graduación, su porcentaje de finos y las características de plasticidad de estos, en cuatro grupos, cada uno de los cuales se representa por un símbolo formado por dos letras, como sigue: 4.4.1. Gravas bien graduadas (Gb). Las que contienen menos del 50% de finos y poseen buena graduación. La buena graduación queda definida por dos parámetros que son: el coeficiente e uniformidad (Cu) y el coeficiente de curvatura (Cc); ambos obtenidos de la curva granulométrica según las siguientes expresiones: Según que, mas, o menos del 50% d4 las partículas gruesas sean retenidas por la malla Núm. 4. En el laboratorio pueden precisarse datos mediante el análisis granulométrico, pero en el campo se requiere una poca de experiencia para apreciar a ojo los porcentajes relativos de cada uno de los componentes gruesos. Es útil saber que las partículas de 0.074 mm, son las mas pequeñas que pueden distinguirse a simple vista y que el tamaño de la malla 4 es, aproximadamente, 5 mm. Representada por un símbolo formado por dos letras, como sigue: En las que: 1. D60 es el diámetro, en mm, para el cual el 60% de las partículas son menores que ese diámetro. 2. D10 es el diámetro, en mm, para el cual el 10% de las partículas son menores que ese diámetro. 3. D20 es análogo a los anteriores, pero para 30%. La figura 1 muestra estos conceptos: Una grava se considera bien graduada cuando se cumplen las siguientes condiciones: Cu > 4 < Cu < 3 4.4.2. Gravas mal graduadas (Gm). Las que contienen menos del 5% de finos y su curva granulométrica revelan una mala graduación, identificada por las siguientes expresiones: Cu < 4 Cu < 1; o Cc > 3
33
En el campo, la buena o mala graduación puede apreciarse observando si predomina o falta, en el material que se examina, algún rango de tamaños de partículas. Gravas Limosas (GL). Las que contiene mas del 12% de finos no plásticos; esto sé definirá al tratar de los suelos finos. Gravas Arcillosas (GB). Tienen más del 125 de finos plásticos; se definirá al tratar de los suelos finos. Las arenas quedan clasificadas en cuatro grupos semejantes a los anteriores. 4.4.3. Arenas bien graduadas (Ab). Contienen menos del 5% de finos y satisfacen los siguientes requisitos de uniformidad: Cu > 6 1 < Cu < 3 4.4.4. Arenas mal graduadas (Am). El mismo contenido de finos que el anterior, pero con los siguientes requisitos de graduación: Cu < 6 Cu < 1; o Cc > 3 4.4.5. Arenas limosas (AL). Mas del 12% de finos no plásticos. 4.4.6. Arenas Arcillosas (AB). Más del 12% de finos plásticos. Tanto en las gravas como en las arenas, aquellos materiales cuyo contenido de finos esta entre 5% y 12% se identifican con un símbolo doble, separado por un guión. Ejemplo: grava que contiene 8% de finos no plásticos y su curva granulométrica es suave. Su símbolo (GbGL). También pueden presentarse casos en que la plasticidad de los finos sea intermedia y el contenido mayor de 12%, empleándose para estos casos el símbolo doble. Ejemplo: arena con 205 de finos de plasticidad media (ALAB). Los suelos finos se subdividen, según sus características de plasticidad, en dos grupos: Suelos de baja plasticidad y de alta plasticidad, aceptando como frontera arbitraria entre los dos grupos un LL= 50%; los del primer grupo son aquellos que exhiben un limite liquido menor. En las construcciones de presas de tierra, la plasticidad de 34
los suelos finos esta asociada con su compresibilidad, después de haber sido compactada en el terraplén. 4.5. CLASIFICACIÓN DE MATERIALES FINOS. Los materiales finos de baja plasticidad son de compresibilidad baja y se clasifican en los tres siguientes tipos: 4.5.1. Limos de baja compresibilidad (lp). Formados por partículas minerales cuyas características de plasticidad, representadas en las cartas de plasticidad descrita anteriormente (figura 22), dan puntos localizados debajo de la línea “A” y a la izquierda de la línea “B”. Los materiales finos de baja plasticidad son de compresibilidad baja y se clasifican en los tres siguientes tipos: 4.5.2. Arcillas de baja compresibilidad (bp). Suelos minerales cuyas características de plasticidad dan puntos arriba de la línea “A” y a la izquierda de la “B”. 4.5.3. Suelos orgánicos de baja compresibilidad (Op). Limos o arcillas minerales, con alto contenido de humus dan puntos bajo de la línea “A” y a la izquierda de la “B”. 4.5.4. Limos de alta compresibilidad (Lc). Son suelos minerales cuyas características de plasticidad quedan representadas por puntos bajos de la línea “A” y a la derecha de la “B” 4.5.5. Arcillas altamente compresibles (Bc). Arcillas inorgánicas, con alto contenido de coloides, que dan puntos arriba de la línea “A” y a la derecha de la “B”. 4.5.6. Suelos orgánicos altamente compresibles (Oc). Limos o arcillas minerales que contienen una fuerte cantidad de humus orgánico y sus características de plasticidad se representan por puntos debajo de la línea “A” y a la derecha de la “B”. Un grupo independiente en este sistema de clasificación lo constituyen los suelos denominados "turbas"” que están formados predominantemente por materia orgánica descompuesta o en proceso de descomposición.
35
Se caracterizan por su color oscuro, bajo peso, gran compresibilidad y baja resistencia. La distinción entre los diversos tipos de suelos finos en el campo se basa en tres pruebas muy sencillas, cuyos principios se comprenderán mejor después de describir las propiedades físicas inherentes a cada fracción del suelo. En la construcción de presas de tierra se emplean materiales aun mas gruesos que las gravas; dichos materiales son por lo general depositados por las corrientes de los ríos y afectan normalmente formas redondeadas, a lo cual deben el nombre de “boleos” o “cantos rodados”. Los rellenos formados por fragmentos de roca, obtenidos de la explotación de una pedrera, constituye otro de los materiales de uso frecuente; tales rellenos se denominan “enrocamientos”. 4.6. PRUEBAS MANUALES PARA IDENTIFICAR SUELOS FINOS EN EL CAMPO Movilidad de agua. Después de quitar las partículas gruesas, mayores que la malla numero 40, prepárese una pastilla de suelo húmedo, de un volumen aproximadamente igual a 10 cm³; si es necesario, añada suficiente agua para dejar el suelo blando, pero no pegajoso. Colóquese la pastilla en la palma de la mano y agítese horizontalmente, golpéese vigorosamente con la otra mano varias veces. Una reacción positiva consiste en que la superficie de la pastilla aparece con agua, adquiriendo una apariencia lustrosa como de hígado. Cuando la pastilla se aprieta entre los dedos desaparecen de la superficie el agua y el lustre, el suelo se vuelve tieso y finalmente se agrieta o se desmorona. La rigidez con la que aparece el agua en la superficie al agitar y desaparece al apretar sirve para identificar la clase de fines del suelo. Las arenas muy finas dan una reacción más rápida y distintiva, mientras que las arcillas plásticas no muestran reacción. Los limos inorgánicos tales como el polvo de roca dan una reacción moderada. 4.6.1. Resistencia del suelo seco. Después de eliminar las partículas de tamaño mayor que el de la malla numero 40, moldéese una pastilla de suelo hasta alcanzar la consistencia de una macilla, añadiendo agua si es necesario. Séquese la pastilla completamente al horno, al sol o al aire, y pruébese su resistencia al esfuerzo cortante rompiéndola entre los dedos. Esta resistencia es una medida del carácter y que cantidad de fracción coloidal que contiene el suelo, pues aumenta con su plasticidad. 36
Una alta resistencia en seco es característica de las arcillas del grupo B. Un limo inorgánico típico exhibe resistencia muy baja, al igual que las arenas finas limosas, pero puede distinguírsele por la sensación al tacto del material pulverizado; la arena fina se siente granulosa, mientras que el limo da una sensación suave de harina. 4.6.2. Tenacidad. Después de eliminadas las partículas retenidas en la malla número 40, moldéese un espécimen de 10 cm3, hasta alcanzar la consistencia de macilla. Si esta muy seco deberá de agregarse agua, y si esta muy húmedo se extiende en una capa delgada que permite la perdida de humedad por evaporación. Amásese entre las manos o sobre una superficie lisa, haciendo una barrita de 3 mm. De diámetro, hasta que dicha barra se vuelva quebradiza, es decir, hasta alcanzar él 4.6.3. Limite plástico. En estas condiciones se juntan los pedazos de la barrita y se amasan entre los dedos formando una bola. La preponderancia de fracción arcillosa de un suelo se identifica por la mayor o menor tenacidad de la barrita al acercarse al limite plástico y por la rigidez de la bolita la aplastarla entre los dedos. La debilidad de la barrita en el limite plástico y la baja tenacidad de la bola indican la presencia de arcilla inorgánica de baja plasticidad, tales como las del caolín, o de arcillas orgánicas que caen bajo la línea "A". Las arcillas altamente inorgánicas se sienten débiles y esponjosas al tacto en el límite plástico.
37
CAPITULO V. ANALISIS DE ESTABILIDAD DE TALUDES. 5.1. CAUSAS DE FALLA EN PRESAS DE TIERRA Y ENROCAMIENTO. Puesto que las normas de diseño moderno de las presas de tierra se basan, por una parte en el conocimiento de las propiedades mecánicas de los materiales que integran a la sección, y por la otra en el estudio de los fenómenos que han sido responsables de las fallas ocurridas en el pasado. Simultáneamente se irán describiendo los fenómenos que involucra cada tipo de falla y aquellas propiedades de los suelos que están íntimamente relacionados con ella. Se conocen como causas de falla más frecuentes las siguientes: 1. Tubificación 2. Agrietamiento 3. Licuación 4. Deslizamiento de taludes 5.2. –TUBIFICACION. Al almacenarse el agua tras de una presa de tierra una parte de dicha agua comienza a filtrarse a través del cuerpo de la presa o de su cimentación, siguiendo trayectoria que se inician en el lado de aguas arriba, y terminan, lógicamente en el de aguas abajo como lo ilustra esquemáticamente la Figs. 24, 25, 26, y por lo tanto el gasto de la filtración a través de la presa o la cimentación depende principalmente de la habilidad que los suelos que intervienen en ellas tengan para permitir el paso del agua; esta habilidad es conocida como permeabilidad. En algunos casos, la velocidad del agua a la salida de las filtraciones en el lado de aguas abajo llega a ser suficiente para provocar en esta parte de arrastre de las partículas de suelo, iniciando así la formación de un ducto o tubo que progresa aguas arriba, hasta que alcanza a establecer la comunicación hacia ambos lados de la presa; al entrar el agua y empezar a fluir a través de este tubo provoca el arrastre del material de sus paredes, ampliando considerablemente la sección del tubo. El trabajo erosivo del agua progresa rápidamente, pudiendo llegar a provocar la falla completa de la presa. Las fallas producidas a consecuencia de este fenómeno se han denominado “fallas por tubificación”.
38
A continuación se presenta el desarrollo de la tubificación en una presa de tierra.
En algunos casos la formación del ducto o tubo se ha iniciado a través de la unión del terraplén de la presa con estructuras echas con materiales, tales como muros de contención o conductos de obras de toma que atraviesan el cuerpo de la presa. Los movimientos por asentamientos del terraplén, que ocurren posteriormente a la construcción llegan a provocar la separación entre la tierra y el elemento rígido de mampostería o concreto, dando así lugar a que se inicie allí la formación del tubo. 39
La experiencia ha mostrado que no todos los suelos son igualmente susceptibles a los daños causados por la tubificación, esto depende de la adherencia que exista entre las partículas que constituyen al suelo, y por el tamaño y peso de cada partícula, así las arcillas de alta plasticidad, cuyas partículas se encuentran unidas por fuerzas de tipo molecular ejercidas a través de las partículas de agua y los iones adheridos a los coloides, son pocos susceptibles a la tubificación. Las gravas y los cantos rodados y los enrocamientos están formados por granos de gran tamaño, no pueden ser fácilmente arrastrados por el agua a menos que esta fluya con gran velocidad. En cambio aquellos suelos formados por granos pequeños, de poco peso pero que carecen de coherencia, como ocurre en las arenas finas y los limos de baja plasticidad o mezclas de ambos, ofrecen la mínima resistencia a la erosión, y por consiguiente la máxima susceptibilidad a la falla por tubificación. 5.2.1. – Medidas para evitar la tubificación. Puesto que el fenómeno de la tubificación se inicia con el arrastre de material en el lado de aguas abajo, donde la velocidad de salida de las filtraciones es mayor, todas las medidas tendientes a evitar el fenómeno se concretan en controlar el arrastre de material en el lado de aguas abajo, mediante el empleo de filtros, construidos por materiales permeables de buena graduación, cuya granulometría está condicionada al material que se pretende proteger. 1. Sección homogénea sobre cimentación impermeable.En una presa de sección homogénea desplantada sobre una cimentación impermeable, las filtraciones emergen arriba del pie del talud de aguas abajo y el agua escurre sobre el talud, lo cual origina arrastres de material en aquellos sitios en los que, a causa de la homogeneidad propia del material que constituye la cortina, el flujo se concentra. Para evitar este problema se recurre a la instalación de un filtro que puede ser de dos formas: filtro en delantal ilustrado en la fig. 27 (a), con un espesor de 2 a 3 m., o un filtro en talud que se muestra en la fig. 27 (b). En ambos casos de obtiene el abatimiento de la línea de saturación y las filtraciones salen a través del filtro, de tal manera controladas que se evitan sus efectos constructivos. 2. Cimentación permeable. Cuando la presa está desplantada sobre depósitos aluviales de lata permeabilidad y la sección es de tipo flotante, es decir, no existe ningún elemento impermeable que intercepte las filtraciones a través de la cimentación, según se ilustra en las secciones (c), y (d) en la fig. 27. Se requiere de un filtro en ángulo que permita controlar el flujo, tanto a través del corazón impermeable como de la cimentación. La sección horizontal del filtro en ángulo constituye, en estos caso la parte más importante del filtro, y debe ser cuidadosamente diseñada y construida. 3. Secciones mixtas con trinchera impermeable. Cuando los depósitos aluviales permeables son interceptados por una trinchera impermeable como se muestra en la fig. 25 (c), debe colocarse un filtro que proteja a los taludes de aguas abajo del corazón impermeable y de la trinchera. El filtro de la trinchera podrá suprimirse en 40
aquellos casos en que el material del depósito aluvial satisfaga los requisitos de un buen filtro.
41
5.3. – FALLAS POR AGRIETAMIENTO. Después de construida una presa de tierra, se producen asentamientos de la corona que varían de magnitud a lo largo del eje de la presa, alcanzando sus valores máximos, generalmente hacia la sección de mayor altura; aunque, en otras ocasiones los máximos asentamientos se presentan en zonas de menor altura, donde la cimentación esta formada por materiales de alta compresibilidad. La magnitud de los asentamientos posteriores a la construcción pueden variar notablemente de una presa a otra, dependiendo, por una parte, del tipo de suelos que la forman de la compacidad y grado de saturación con la que hayan sido colocados en el terraplén durante la construcción, y por la otra, de la compresibilidad y espesor de los suelos en que este apoyada. En algunos casos el asentamiento se desarrolla en un tiempo relativamente corto, durante el primer llenado del vaso, en cuanto los materiales de la presa entran en contacto con el agua; en otras es un proceso lento, que toma algunos años. Cuando los asentamientos de la corona llegan a ser muy diferentes de un punto a otro, se generan tensiones en el cuerpo de la presa, que producen grietas. Si estas grietas son transversales al eje de la cortina y se presentan cuando el vaso esta lleno, el agua, al escurrir en ellas las amplia por erosión de sus paredes y acaba de destruir, parcial o totalmente la presa. El proceso destructivo puede durar algunas 42
horas o varios días, dependiendo de la susceptibilidad de los materiales a la erosión. La observación del comportamiento de varias presas, reportado por Sherard, y de algunas presas mexicanas, ha demostrado que mientras que algunos suelos que son capaces de tolerar grandes asentamientos diferenciales de la corona y la susceptibilidad de los materiales al agrietamiento. El primero esta íntimamente ligado a la compresibilidad de los suelos y el segundo a su plasticidad. Cabe agregar que este tipo de problema es más agudo cuando la presa está construida en una boquilla con laderas fuertemente escarpadas o con cambios bruscos de pendiente, ya que esta situación favorece notablemente el desarrollo de asentamientos diferenciales a lo largo del eje de la cortina. La Fig. 28. ilustra esquemáticamente este tipo de fenómeno, mostrando con línea punteada la posición de la corona del terraplén después de producido el asentamiento, así como la posición aproximada de las grietas transversales.
5.3.1. – Medidas preventivas para evitar la falla por agrietamiento. Puesto que el fenómeno de agrietamiento tiene su origen en la producción de asentamientos diferenciales, es evidente que las medidas que se tomen contra falla de esta clase están enfocadas principalmente hacia la reducción de dichos asentamientos. Pero, por otra parte, no siempre es posible reducir los asentamientos en forma importante. Se requiere entonces otro tipo de medidas precautorias para evitar sus consecuencias. 43
La experiencia obtenida mediante la observación de agrietamientos producidos por varias presas ha permitido concluir que los suelos tienen un grado diferente de susceptibilidad al agrietamiento y que esta susceptibilidad es menor a medida que el suelo es más plástico. La mayor susceptibilidad corresponde a las arenas finas o a los limos arenosos de plasticidad baja o nula cuyo índice de plasticidad es menor a 1.5, y la mínima a las arcillas de alta plasticidad, las cuales son capaces de adaptarse a fuertes deformaciones, cuando su contenido de aguas al colocarlas en el terraplén se encuentra en la vecindad del limite plástico. Las condiciones anteriores conducen a adoptar las siguientes normas para prevenir las fallas por agrietamiento. 1. Es conveniente colocar los materiales de la zona impermeable con el máximo peso volumétrico que permita el equipo de compactación, dentro de límites económicos. De este modo se logra reducir la compresibilidad de los suelos y por consiguiente los asentamientos por compresión del terraplén. 2. El grado de saturación que se obtenga al colocar los suelos impermeables influye notablemente en la proporción del asentamiento que ocurre durante la construcción, con respecto al asentamiento total originado por compresión del terraplén. Es conveniente por este motivo, lograr un bajo grado de saturación del material colocado, sin que esté sea menor que el que podría causar asentamiento brusco por saturación posterior, al llenarse el almacenamiento. Si en la cimentación de la presa existen suelos finos, compresibles y se prevé que está sufrirá asentamientos diferenciales posteriores a la terminación, por consolidación de la cimentación, puede ser conveniente colocar los materiales impermeables con un alto contenido de humedad, para lograr una mayor adaptabilidad de estos a las deformaciones diferenciales. Por otra parte, reduciendo simultáneamente el peso volumétrico, puede alcanzarse un grado de saturación suficientemente bajo para que los asentamientos propios del terraplén, ocurran, durante la construcción. 3. La practica de colocar zonas de filtro, formadas por arenas y gravas de buena graduación sobre ambos taludes del corazón impermeable, es muy recomendable para evitar la erosión de las paredes de la grieta, en caso de que esta se produzca, ya que, al fluir el agua a través de ella arrastra el material del filtro de aguas arriba, el cual se retiene en el de aguas abajo, evitando así altas velocidades del agua, al rellenarse la grieta con el material permeable. La instalación de filtros con espesor mínimo de 3 m., es particularmente importante cuando existe la posibilidad de asentamientos diferenciales posterior a la construcción, por la presencia de suelos finos compresibles en la cimentación, especialmente si la presa esta formada con materiales de baja plasticidad, muy susceptibles al agrietamiento. No es recomendable construir presas de sección homogénea con suelos de alta susceptibilidad al agrietamiento, cimentadas sobre suelos compresibles, si no se dispone de filtros protectores.
44
4. Las cimentaciones constituidas por depósitos finos, no cohesivos, en estado suelto y parcialmente saturado, (arenas finas limosas y limos, de terrazas aluviales o depósitos eólicos) son fuente importante de asentamientos diferenciales bruscos durante el primer llenado de la presa. Este fenómeno puede evitarse o disminuirse de manera notable saturando los materiales de la cimentación antes de construir, de modo que la mayor parte del asentamiento tenga lugar durante la construcción. La saturación debe mantenerse en todo el periodo constructivo. 5.4. FALLAS POR LICUACIÓN A diferencia por la falla de deslizamiento, en la que el talud se desplaza como un cuerpo más ó menos rígido, a lo largo de una superficie, sea ésta una curva continua, una plana ó la combinación de ambas, y moviéndose una distancia relativamente corta, la llamada falla por flujo se presenta extendiéndose el material sobre un área grande y adoptando finalmente taludes irregulares que llegan a tener pendientes mayores de 10:1, ó casi horizontales en ocasiones; el material se comporta temporalmente como un líquido. Tal comportamiento es típico de materiales finos, no cohesivos, de estructura suelta y saturados; en esta categoría caen las arenas finas, uniformes, los limos no plásticos ó de plasticidad baja y las mezclas de ambos. Las arenas cuyos diámetros efectivos, D10 es menor de 0.1 milímetros y coeficiente de uniformidad menor de 5, y los limos que tienen un índice de plasticidad menor de 6, constituyen suelos sumamente peligrosos cuando forman parte de la cortina ó la cimentación de una presa de tierra. Es importante agregar que este tipo de falla está frecuentemente asociado a las acciones de esfuerzos repentinos, como temblores, explosiones ó movimiento rápido de alguna zona de la cimentación. Aun cuando la falla por flujo ha sido poco frecuente en los últimos años, probablemente a consecuencia del mejoramiento de las técnicas y el equipo para compactar los terraplenes, su estudio sigue siendo importante para prevenirla, cuando es inevitable emplear en la cimentación ó en el cuerpo de la presa materiales susceptibles a este tipo de falla. La falla por flujo tiene su origen en el fenómeno de la licuación, enel cual puede describirse como la pérdida total de la resistencia al corte, a consecuencia del dislocamiento brusco de la estructura granular suelta, bajo la acción de esfuerzos cortantes impuestos cuando el material está saturado; dicho dislocamiento da lugar a la formación de una suspensión concentrada de suelo en agua, que carece temporalmente de resistencia. El mecanismo de este fenómeno se entiende mejor estudiando el comportamiento de las arenas finas y uniformes bajo la acción de los esfuerzos cortantes en una cámara triaxial. No obstante que todos los intentos hechos hasta el presente para reproducir el fenómeno en este tipo de aparato han fracasado, la observación de las deformaciones volumétricas de los especimenes de suelos son de utilidad. Al someter un espécimen de arena suelta, con su máxima relación de vacíos y saturada, a una prueba triaxial lenta, se observa que, al aplicar la presión 45
confinante de la cámara el suelo se comprime, expulsando el agua hasta quedar totalmente consolidado bajo esa presión; al iniciar la aplicación de la carga axial, en incrementos, se observa que, con cada incremento de esta, el volumen del espécimen se reduce en decrementos correspondientes, hasta alcanzar la falla; en cambio si se trata de una probeta compactada previamente hasta su mínima relación de vacíos, se notara una ligera compresión bajo la presión de la cámara; pero durante el proceso de falla por corte, el volumen del suelo aumenta. Existe un valor intermedio de la relación de vacíos llamado “relación de vacíos crítica” para el cual la deformación volumétrica del espécimen es nula. El valor de “ecr” para una misma arena no es constante si no que depende de la presión confinante, disminuyendo a medida que ésta aumenta. Este comportamiento sugiere que, si se tiene una gran masa de arena fina ó limo, de estructura suelta y saturado, la aplicación de esfuerzos cortantes repentinos producirá una tendencia a disminuir su volumen pero, en presencia de agua, esa tendencia se traducirá en un rápido incremento de la presión de poro y la consiguiente disminución de la presión efectiva; si el aumento de la primera es suficientemente grande para anular a la segunda, las partículas de suelo quedarán en suspensión temporalmente, hasta en tanto no se disipe suficientemente la presión de poro para volver a poner las partículas en contacto. Sobre la base de este mecanismo, se concluye que, si la relación de vacíos natural es suficientemente baja, esta tendencia a la licuación no existe, ya que cualquier esfuerzo cortante que se aplique a la masa de suelo compacto producirá una tendencia a expandirse y una presión de poro negativa, que aumenta temporalmente la resistencia al corte. Por otra parte, a medida que la relación de vacíos natural va siendo menor que la que corresponde al estado más suelto, el grado de riesgo va disminuyendo es decir, se requieren deformaciones cada vez mayores para producir la licuación. La condición a partir de la cual no existe riesgo es actualmente impredecible sobre la base de ensayes de laboratorio. Sin embargo, sobre la base de la experiencia obtenida a través de la observación de fallas de este tipo ocurridas en el campo, se sabe que se muy poco probable que se produzca la licuación en arenas cuya compacidad relativa sea mayor de 50 %; de aquí que, para los materiales granulares, se especifique colocarlos en el terraplén con una compacidad relativa mayor ó igual a 70 % , la cual se logra, con cierta facilidad, mediante el empleo de rodillos vibratorios, del tipo neumático ó liso, ó bien con el simple paso de un tractor de orugas pesado, transitado a alta velocidad sobre capas de 15 a 20 cm. de espesor. Durante algunos años se pensó que el riesgo de licuación de una masa de arena podía considerarse nulo, si su relación de vacíos natural era menor que la crítica; pero en la actualidad se sabe que este criterio no siempre garantiza buenos resultados. Por tal razón, el diseñador debe decidir sobre este particular, basándose en la experiencia reportada por varios investigadores, que el Dr. A. Casagrande resume en su articulo “Notas sobre diseño de presas de tierra” del cual se transcriben los siguientes párrafos:
46
“Basado en los estudios del deslizamiento de la presa Forre Peck, de los deslizamientos por flujo en la provincia de Zeeland, Holanda, y de los resientes deslizamientos de los bordos del río Mississipi, considero que las siguientes conclusiones son evidentes”. 1. La porosidad de las arenas finas de depósitos fluviales pueden variar considerablemente dentro del mismo estrato, encontrándose desde la arena suelta, susceptible de licuarse, hasta la arena de mediana compacidad que no se licua con ninguna perturbación. 2. No hay un límite preciso entre los rangos de porosidad para los cuales una arena es ó no susceptible de licuarse. Parece que hay un rango de porosidad dentro del cual el grado de sensitividad de una arena a la licuación aumenta gradualmente de no sensitiva a extremadamente sensitiva. La sensitividad puede tal vez expresarse mejor por la magnitud de la deformación unitaria necesaria para transmitir la mayor parte de los esfuerzos efectivos de los granos al agua. Las arenas finas, uniformes, saturadas y en estado muy suelto, así como los depósitos de polvo de roca (limos no plásticos), puede licuarse a consecuencia de un golpe ó una vibración, que producen una deformación muy pequeña. Sin embargo las arenas de río sueltas, que son potencialmente susceptibles a la licuación, parece que requieren fuertes deformaciones para que su resistencia disminuya al grado de producir el deslizamiento. 3. La rapidez con que se licua una masa de arena depende de la manera como se desarrollen las deformaciones en su interior. Si las deformaciones afectan simultáneamente a un gran volumen de arena, el deslizamiento ocurrirá rápidamente y terminará en unos cuantos minutos; pero si las deformaciones críticas se desarrollan paulatinamente, de manera que en un momento dado, solamente un pequeño volumen de arena esta licuado, el deslizamiento progresará lentamente, y puede continuar por varias horas, dependiendo de la masa total afectada”. “En la tabla I, se tiene una clasificación de la sensibilidad de los suelos a la licuación, y se han incluido algunas informaciones pertinentes para ilustrar los tres tipos. Enseguida se presenta un estudio complementario de los deslizamientos mencionados, con objeto de exponer las diferentes características de cada uno de ellos”.
47
*Las presiones de poro intrusivas creadas, por ejemplo, en una arcilla estratificada, pueden inducir grandes deformaciones; sin embargo, estas presiones intrusivas son solamente causa indirecta de la licuación de las capas del limo, o de las arcillas supersensitivas.
Tabla. I. – Fallas por flujo de Material.
“Durante la construcción de la presa Fort Peck, la insuficiente resistencia de la pizarra produjo deformaciones en el estrato de arena de la cimentación que se encuentra sobre la pizarra; las deformaciones se transmitieron a una parte de la sección de aguas arriba, formada por arena colocada hidráulicamente. Desde varios días antes de la falla, las cuadrillas de mantenimiento observaron movimientos de las vías que se encontraban dentro del área de talud de aguas arriba, que falló. Estas deformaciones, probablemente, transmitieron parte de los esfuerzos intergranulares al agua de los poros, ocasionando así una perdida de resistencia al esfuerzo cortante dentro de la porción afectada de la cortina y en el estrato de área subyacente. Esto a su vez aumentó los esfuerzos cortantes dentro de la cimentación, y la combinación de ambos efectos hizo fallar las capas de bentonita que se encuentran dentro de la pizarra, produciéndose finalmente la licuación de una gran masa de arena saturada de la cortina y de la cimentación. Se considera que la arena sufrió una fuerte deformación antes de la licuación, y que si la roca subyacente hubiera sido suficientemente resistente para soportar los esfuerzos cortantes con una insignificante deformación, no se habría producido la licuación de la arena. 48
Por otra parte se cree que si la arena hubiese estado en una condición suficientemente densa para garantizar seguridad contra licuación, la falla local de la pizarra no se habría traducido en una falla catastrófica de una gran parte de la presa.” Los puntos de vista de 1950 se resumen como sigue: Los depósitos de arena fina uniforme son susceptibles de licuarse, pero solamente si se les somete a grandes deformaciones como las que resultan del aumento de la inclinación de los taludes, ó de la falla de estratos subyacentes débiles. Esta conclusión es muy importante, particularmente en el diseño de presas de tierra sobre cimentaciones construidas por arenas de ríos. En cuanto al comportamiento de los limos gruesos y uniformes, puede decirse que la susceptibilidad a licuarse disminuye también a medida que su compacidad aumenta; sin embargo, grandes fallas por flujo han ocurrido en el sur de Chile, en limos glaciolacustres, consolidados y confinados por una carga de 80 m. de relleno, a consecuencia de un sismo de gran intensidad y larga duración. Existen algunos casos en los que la presa descansa sobre depósitos de arena fina ó limos, de baja compacidad, en los que, a pesar de haber ocurrido asentamientos bruscos y agrietamientos durante el primer llenado, no se ha presentado falla por flujo. 5.4.1. – Recomendaciones para prevenir la falla por flujo. Sobre la base de la discusión precedente, se pueden establecer las siguientes normas para prevenir la falla de una presa de tierra a consecuencia de la licuación de los materiales que en ella intervienen: 1. Los suelos exhiben una diferente susceptibilidad a la licuación; corresponde la máxima a los limos gruesos y a las arenas finas, uniformes y de granos redondeados; las arenas gruesas y las gravas, por una parte, y la arcillas de mediana y alta plasticidad, por la otra no son susceptibles de licuarse, excepto cuando se trata de depósitos naturales de arcillas de muy alta sensitividad. 2. Todos los materiales de la cortina deben colocarse con una buena compactación; Ds = 95 %, del peso óptimo (norma S.R.H.), para los suelos impermeables ó semipermeables y compacidad relativa mínima de 70 %, para los materiales permeables. 3. En presas de sección homogénea no deberán emplearse suelos de alta susceptibilidad a la licuación, especialmente en sitios con cimentación blanda ó en zonas telúricas, hasta en tanto no se disponga de procedimientos dignos de confianza para predecir el grado de riesgo. Si no se dispone de otro material impermeable se le podrá emplear en un corazón esbelto, con taludes menores de 0.6:1 protegido por respaldos de grava y arena ó de enrocamiento y rezaga, con taludes exteriores de 2:1 ó mayores, para garantizar que los respaldos sean capaces de soportar el empuje hidrostático, en caso que el corazón se licue. El 49
factor de seguridad puede estimarse con el método de Gilboy, para presas de relleno hidráulico. 4. Es admisible desplantar una presa de tierra sobre depósitos fluviales de arena fina, cuya compacidad relativa natural sea mayor de 50 % ó sobre limos compactos, siempre que no exista el riesgo de sismos ó mantos blandos en la cimentación. En caso contrario la compacidad de la arena no debe ser menos de 70 %. En zonas de fuerte sismicidad (temblores de intensidad 8, Mercalli modificada), las cimentaciones que contengan depósitos de limo no plástico, aun cuando no sean compactos, constituyen un grave peligro al ser saturados; por lo que es preferible eliminarlos del sitio mediante excavación, si esto no es económicamente posible, es recomendable cambiar la presa a otro sitio más favorable. 5. Pueden emplearse materiales de alta susceptibilidad, sin confinamiento, en zonas de la cortina que no estén sujetas a saturación, pero debe prestarse especial atención al control de su compactación durante la construcción. 5.5. DESLIZAMIENTO DE TALUDES. Los taludes de una presa de tierra deben ser estables aun en las condiciones más desfavorables, de esfuerzos que puedan presentarse en la vida de la presa. Esta condición implica que los esfuerzos cortantes originados por el propio peso de la presa y las fuerzas de filtración no deben exceder a los esfuerzos cortantes que los materiales del terraplén y la cimentación sean capaces de soportar. Por el contrario, la resistencia al corte debe ser superior a los esfuerzos impuestos, con el fin de disponer de un margen de seguridad. A continuación se exponen los métodos para determinar la resistencia de los suelos al esfuerzo cortante, y se hace mención de los distintos factores que influyen en esa propiedad mecánica. 5.5.1. Resistencia al esfuerzo cortante La oposición que ofrecen las partículas al desplazamiento relativo se denomina “resistencia al esfuerzo cortante”. Puesto que depende de interacción de unas sobre otras, la naturaleza de estas interacciones será la que determine la resistencia. En los suelos granulares, constituidos principalmente por partículas microscópicas, la resistencia al esfuerzo cortante parece derivar, exclusivamente, de efectos de fricción entre los granos, mientras que, en aquellos en los que predomina la fricción coloidal, la resistencia depende de las fuerzas atractivas y repulsivas que se ejercen entre las mícelas. De aquí la distinción básica entre los suelos “friccionantes” o “granulares” en estos se incluyen los enrocamientos, cantos rodados, boleos, gravas, arenas y limos no plásticos y suelos “cohesivos” o “coherentes” en estos las arcillas de alta plasticidad. 50
Un tercer grupo de suelos, en lo que se refiere a la naturaleza de su resistencia al esfuerzo cortante, es el denominado de los suelos “intermedios”, formado por mezclas de partículas granulares gruesas, finas y coloidales, en ellos, la resistencia al corte es una combinación de ambos efectos, dependiendo de las proporciones de los diversos constituyentes del suelo. Para determinar la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos existen diversos tipos de aparatos y se pueden agrupar en dos clases: los de “corte directo” y los de “compresión triaxial”. En esta tesis nos limitaremos a mencionar el aparato de compresión triaxial, debido a que en la actualidad los de corte directo se emplean de forma muy restringida, porque en ellos no es posible gobernar a voluntad el efecto del agua en la resistencia de los suelos. Además se les atribuye el defecto de producir una falla progresiva en los especimenes dando por resultado que las deformaciones y los esfuerzos no sean uniformes a lo largo del plano de falla. 5.6. TIPOS DE PRUEBA Una prueba de compresión triaxial puede considerarse de diferentes maneras: 5.6.1. Compresión Triaxial. Una prueba de compresión triaxial se realiza envolviendo en una membrana impermeable M, un espécimen cilíndrico S, del suelo que se desea probar, cuyas bases quedan en contacto con cabezas sólidas B, provistas de piedras porosas F, que sirven de filtro, los filtros están conectados a tubos delgados provistos de válvulas V, que permiten gobernar la salida o entrada de agua al espécimen tales tubos de drenaje están conectados a una bureta graduada con la que se puede conocer el volumen de agua expulsada o absorbida por el suelo durante la prueba. La unión entre la membrana y las cabezas se ata con banda de hule para garantizar un sello hermético. Todo el conjunto queda encerrado en una cámara C que se conecta a un tanque de agua a presión. La tapa superior de la cámara es atravesada por un vástago delgado que pasa por un depósito de grasa a presión G, que evita las fugas de agua a lo largo de la pared del vástago y reduce un mínimo la fricción de éste contra la tapa. 5.6.2. Prueba rápida Una vez montado el espécimen se aplica una presión al agua de la cámara, que se transmite hidrostáticamente al espécimen, actuando sobre la membrana y las cabezas. Las válvulas de drenaje se cierran antes de aplicar la presión al agua y, permaneciendo cerradas, se comienza a cargar axialmente a la probeta de suelo, desde el exterior de la cámara, aplicando al vástago una carga creciente P hasta alcanzar la falla, que se presenta generalmente, a lo largo de un plano inclinado.
51
5.6.3. Prueba consolidada rápida: Aquí se aplica la presión al agua de la cámara y se abren las válvulas de drenaje, permitiendo así que la presión de los fluidos de los poros, generada en el espécimen por el incremento de presión aplicada, se disipe completamente, es decir, se permite la consolidación total de la probeta de suelo bajo la presión hidrostática alicada exteriormente. Mientras que en la prueba rápida el contenido de agua del espécimen de suelo permanece constante, en la consolidada rápida cambia dicho contenido de agua porque se permite la salida de los fluidos (agua, gases) durante el proceso de consolidación bajo la presión lateral. 5.6.4. Prueba lenta Al igual que en la prueba anterior, en la lenta se permite la consolidación completa del suelo bajo la presión de la cámara, pero, las válvulas de drenaje no se cierran al aplicar la carga axial sobre el vástago. Además, la aplicación de dicha carga axial se hace en incrementos pequeños colocados a intervalos de tiempo suficientemente largos para garantizar que la presión de poro, generada por el incremento anterior se disipe completamente antes de aplicar el siguiente.
5.7. CONDICIONES DE TRABAJO DE UNA PRESA DE TIERRA Y ENROCAMIENTO. Desde la iniciación de la construcción de una presa hasta cuando ésta se encuentra funcionando, con el agua a su máximo nivel en el almacenamiento, los materiales que la constituyen están sometidos a diferentes condiciones de 52
esfuerzos que van cambiando a través del tiempo. Al colocar una capa de material en el terraplén durante la construcción, éste tiene una relación de vacíos y un cierto grado de saturación, generalmente menor de 100 %; a medida que la construcción prosigue, esa capa va recibiendo el peso de las capas superiores y, como consecuencia, el material que la constituye va sufriendo cambios en su volumen de vacíos y en el grado de saturación, durante todo el proceso de construcción de la cortina. Los cambios de volumen a los que está expuesto un elemento de suelo, después de colocado, originan en él, presiones de poro, las cuales se van disipando en mayor ó menor grado, según la permeabilidad del propio material, las condiciones de drenaje que tenga dentro del terraplén y la rapidez con que se construya la presa. El valor inicial de la presión, de poro que se desarrolla durante la construcción está íntimamente ligado a las características de la compresibilidad del material y al grado de saturación con que se coloque, si se trata de materiales altamente permeables, las presiones de poro generadas durante la construcción se irán disipando tan rápidamente como ésta avanza; mientras que, si el material es de baja permeabilidad, la disipación de la presión de poro será considerablemente más lenta que el avance de la construcción; por lo tanto, puede decirse que al terminar de construir la presa, existirán presiones de poro más ó menos importantes dentro de las zonas impermeables y que, en las zonas permeables, por el contrario, las presiones de poro de construcción son nulas. Al llenarse la presa, el agua satura inmediatamente a los materiales permeables y, después de algún tiempo alcanza a saturar a los impermeables, cambiando con ello el valor de las presiones de poro que existieron durante la construcción; la estructura interna de los materiales que constituyen a la cortina quedará entonces ajustada a un nuevo estado de esfuerzos y, por lo tanto, su resistencia al corte habrá evolucionado respecto a lo que tenia al terminarse la construcción. Una nueva condición de esfuerzos se desarrolla cuando la presa se vacía en corto tiempo; las presiones de poro que existían cuando la presa estaba llena cambian nuevamente, produciendo alteración de los esfuerzos que actúan dentro del cuerpo de la cortina. Se concluye entonces que la resistencia al corte de los materiales sufre una serie de cambios a través del tiempo, de acuerdo con la variación de los esfuerzos efectivos dentro de la masa; esas variaciones corresponden a distintos estados de consolidación de los materiales. Resulta evidente que cada una de esas condiciones representa un diferente valor del factor de seguridad contra deslizamiento. Pero es también obvio que no seria posible revisar la estabilidad para una infinidad de condiciones de consolidación a través de la vida de la presa, por lo cual se conviene en revisarla solamente para condiciones extremas de esfuerzos. Se aceptan comúnmente las siguientes condiciones extremas de trabajo:
53
5.7.1. Condiciones iniciales. Están representadas por la situación en que se encuentra la presa al terminar su construcción. Los materiales estarán entonces sujetos a compresión después de haber sido colocados con una cierta relación de vacíos y un grado de saturación inferior al 100 %. Si se trata del material del corazón impermeable, es aceptable suponer que no ha ocurrido disipación de la presión de poro generada durante la construcción; por lo tanto, si se desea analizar el comportamiento de este material ante una falla rápida, esas condiciones de esfuerzos se reproducen, aproximadamente, en el laboratorio, realizando pruebas triaxiales de tipo rápido en especimenes preparados con la misma relación de vacíos y el mismo grado de saturación correspondientes a las condiciones en que fue colocado el material en el terraplén. En los materiales permeables, por el contrario, las presiones de poro al finalizar la construcción son nulas; los esfuerzos que actúan entonces son soportados por la estructura granular del suelo; al sobrevenir una falla rápida, las presiones de poro que se generan por la acción de esfuerzos cortantes se disipan también rápidamente, gracias a la alta permeabilidad; por lo tanto, puede considerarse que esas condiciones de trabajo de los materiales permeables se producen en el laboratorio mediante una prueba triaxial lenta, en especimenes 100 % saturados, cuya relación de vacíos inicial corresponda a la colocación del material en el terraplén. 5.7.2. – Condiciones finales. A través del tiempo, el grado de saturación de los materiales, tanto permeables como impermeables, se incrementa hasta alcanzar la saturación completa en el corazón impermeable y en el talud aguas arriba. Al mismo tiempo, los materiales impermeables se van consolidando ó expandiendo bajo la acción de los nuevos esfuerzos impuestos por el peso propio del material y las fuerzas de filtración, hasta quedar totalmente consolidados bajo esas nuevas condiciones de esfuerzos. Los materiales impermeables se encuentran entonces saturados y ciento por ciento consolidados. Si se pretende analizar los efectos de una falla rápida por corte, las presiones de poro que se generan durante el proceso de falla estarán, aproximadamente, reproducidas en una prueba triaxial del tipo consolidada rápida, efectuada con especimenes saturados, cuya relación de vacíos corresponda a la inicial que tenía el material al ser colocado en el terraplén. Tratándose de arcilla, y especialmente de las de alta plasticidad, debe recordarse que sufrirán expansiones cuando las presiones a que estén sujetas en el terraplén sean pequeñas, tales expansiones harán que la resistencia al corte disminuya con el tiempo; de aquí que las presas de poca altura construidas con arcillas plásticas disminuyan su factor de seguridad contra deslizamientos a través de los años y que se hayan presentado deslizamientos de los taludes aun después de 15 a 20 años de construidas. En tales casos, es indispensable que en el laboratorio se permita que los especimenes de arcilla sometidos a bajas presiones (menores de 2 Kg/cm².), se expandan a través de una a dos semanas, antes de aplicarles la carga axial, pues el proceso expansivo es, frecuentemente, más lento que el de 54
consolidación. En cuanto a los materiales permeables prevalece el mismo criterio que en el caso de las condiciones iniciales de trabajo. En los materiales de permeabilidad intermedia se disipa una parte de la presión de poro que se genera durante la construcción; pero la proporción que guarda la presión disipada respecto ala presión de poro inicial, que no es sino el grado de consolidación que logra el material al finalizar la construcción, resulta prácticamente impredecible. De allí que, procediendo conservadoramente, se adopte para los materiales semipermeables el mismo criterio que para los impermeables, tanto para las condiciones iniciales como las finales. 5.7.3. Condición de vaciado rápido. Durante la época seca del año las extracciones de la presa son mayores que las entradas, produciéndose el descenso en el nivel del agua en el almacenamiento. Al descender dicho nivel, las zonas impermeables y semipermeables de la presa quedan saturadas y se inicia dentro de ellas un flujo descendente del agua, que puede representarse por una red de flujo. Esta nueva condición de flujo crea en la presa nuevas condiciones de esfuerzos que deben ser analizadas. Se han presentado fallas a consecuencia de los efectos del vaciado rápido, muy especialmente en el talud de aguas arriba. El criterio a seguir en la elección de los valores de la resistencia al esfuerzo cortante, que deban emplearse en el análisis, es el mismo que para el caso de las condiciones finales ya explicado. El vaciado de una presa ocurre normalmente en un tiempo que puede variar de unos cuantos días a varios meses, según las condiciones de funcionamiento de la presa y a la capacidad del vaso. La condición de un vaciado instantáneo es puramente hipotética. Es conveniente agregar que no todos los materiales son igualmente afectados por un vaciado rápido; los materiales altamente permeables son capaces de eliminar las presiones de poro tan rápidamente como desciende el agua del vaso. En cambio, los impermeables pueden requerir de uno a varios años para ajustarse a las nuevas condiciones de esfuerzos generados por el flujo descendente. De aquí que se hayan establecidos los siguientes criterios para valuar las presiones de poro, al hacer el análisis de la estabilidad para la condición de vaciado rápido. Tales criterios son: 1. Los materiales permeables no son susceptibles al efecto de un vaciado rápido. 2. Los materiales impermeables, cuyo coeficiente de permeabilidad es menor de 10 exp.6 cm / seg., son también de alta compresibilidad. Cuando ocurre un vaciado rápido en materiales de esta clase se produce dentro del cuerpo de la presa un proceso de consolidación cuya rapidez depende tanto de la permeabilidad como de las condiciones de drenaje y las características de compresibilidad de los materiales. En todo caso, en los suelos impermeables, la rapidez del proceso de consolidación es, generalmente, menor que la velocidad de descenso del agua en el vaso. Puede decirse entonces que la relación de vacíos del material permanece, aproximadamente, igual a la que existía antes de iniciarse el vaciado rápido. En tales condiciones, los valores de los esfuerzos efectivos 55
dentro de la masa impermeable son los mismos que existían cuando la presa estaba llena y, por consiguiente, la resistencia al corte puede considerarse igual a la que existía antes del vaciado rápido. Entonces, para analizar la estabilidad del talud de aguas arriba en estas condiciones es conveniente calcular, primero, el valor de las fuerzas tangenciales resistentes para los materiales impermeables, en función de los esfuerzos efectivos que existían a presa llena y, después, las fuerzas tangenciales actuantes se calcularán con el nivel del agua en el almacenamiento en la posición correspondiente a la presa vacía. 3. En el caso de materiales de impermeabilidad intermedia, ejemplificados por las arenas finas, limosas (AL) y los limos no plásticos ó de baja plasticidad (Lp) se considera que al ocurrir el vaciado rápido se desarrolla en la masa de suelo un estado de esfuerzos que corresponda al que proporciona la red de flujo para vaciado rápido. Esta condición se cumple, solamente, para el caso de materiales incompresibles; es decir, supone que los materiales semipermeables han sido colocados con un alto grado de compactación, con lo cual su compresibilidad es suficientemente baja para garantizar el desarrollo de las presiones de poro que supone el trazo de dicha red de flujo. Esta condición se cumple normalmente con las prácticas actuales de compactación. 5.8. RELLENOS COMPACTADOS. La compactación es un aumento artificial de la densidad de un suelo por medios mecánicos. El estudio científico de las condiciones de la compactación es bastante reciente, pero las primeras compactaciones corresponden a tiempos muy remotos. Se sabe que para una energía de compactación y un material dados hay un contenido de agua que permite obtener la máxima densidad seca (diagrama de proctor). Se sabe también que la compactación del suelo esta condicionada por los factores siguientes. 1. Naturaleza de la maquinaria de compactación. 2. Energía utilizada. 3. Contenido de agua del material. 4. Espesores de las capas compactadas. 5. Naturaleza de los materiales compactados. El ensayo proctor permite analizar dos de estos factores que son la energía de compactación y el contenido de agua. Los otros deben determinarse teniendo en cuenta la experiencia, especialmente en cuanto se refiere a la elección de maquina de compactación y al numero de pasadas. En cuanto se refiere al espesor de las capas se admite generalmente que después de la compactación, cualquiera que sea la maquinaria de compactación empleada debe tener espesores superiores a 20 cm. 56
5.8.1. Diversos tipos de maquinas de compactación. A). PISONES DE MANO, O NEUMATICOS: Los pisones neumáticos son pequeños maquinas de accionamiento manual movidas por aire comprimido que constituyen con ventaja los antiguos pisones de mano de los peones camineros y que se utilizan para la construcción de rellenos y terraplenes ordinarios. B). APISONADORAS DE LLANTA LISA: Son los rodillos empleados en la construcción y conservación de los caminos de macadán, que antiguamente eran accionados por maquinas de vapor y hoy en día por maquinas de motor diesel. Un dispositivo mecánico permite desplazamiento de una a otra obra.
apoyarla
sobre
neumáticos
para
el
C). APISONADORAS VIBRATORIAS: En estos aparatos, el cilindro se hace vibrar mediante excéntricas movidas por un motor diesel incorporado al aparato. Estas maquinas son en general remolcadas mientras que las apisonadoras ordinarias son automotrices, su peso llega hasta 10 ton. Esto se utiliza en materiales rocosos. D). APISONADORAS ESTRIADAS: En estas maquinarias los cilindros tienen estrías para amasar el material estas maquinas se destinan al bastido de terraplenes. E). RODILLOS DE PATA DE CABRA: Estos aparatos se componen de uno o varios rodillos montados en un marco metálico normal o en varios marcos metálicos articulados entre sí. Cada marco lleva los cojinetes de rodamiento en los rodillos y un dispositivo de enganche. Algunos modelos pueden estar provistos de cajas de suplementarias de lastros en las partes anteriores y posteriores del marco. Las puntas o las patas de cabra tienen un extremo ensanchado para su fijación sobre el cilindro y después y un extremo aplanado en forma de pata de cabra. La longitud de las patas es de 18 a 21 cm. Su número varía según el tamaño del cilindro de 56 a 144. El diámetro del tambor esta comprendido por lo general entre 1 m y 1.5 m y la longitud varia de 1.20 m a 1.80 m. Las presiones máximas sobre el suelo van de 11 a 55 kg/cm. Sin lastre y de 20 a 120 kg/cm. Con lastre. Los rodillos son remolcados mediante factores de oruga de pequeña velocidad (4 km/hr.). Uno a uno o en grupos de tres. 57
F). APISONADORA DE NEUMATICOS: Las apisonadoras normales comprenden un tren de ruedas delanteras y otro de ruedas traseras de tres y cuatro ruedas enlazado mediante una caja de lastre y permite elevar la carga total a 11 ton. Aproximadamente, o a unos 1.50 ton por rueda como máximo. Para compactaciones importantes se utilizan compactadores de neumáticos de 30 ton a 50 ton e incluso 90 ton. Comprenden solamente cuatro neumáticos muy grandes cuyos ejes están soportados por cuatro cunas semicilíndricas articuladas en uno de sus extremos a uno de los cajones de lastre y sostenido a pares mediante un cable que los enlaza equilibrando la carga de las ruedas. El súper compactador de 50 ton. Pesa en vacío 15 ton, las cajas de lastre tiene 17 m de capacidad. Los neumáticos tipo 1800 x 24 de 24 lonas hinchadas a una presión de 6.3 kg/cm pueden soportar como máximo 12.5 ton cada uno. G). APARATOS DE COMPACTACION: La rana Demag tiene la forma de una campana cuya parte superior esta ligeramente inclinada respecto a la base, que es plana comprende dos elementos superpuestos, una base y la campana propiamente dicha unidas mediante una biela elástica. La rana funciona por explosión de aire y gasolina con encendido eléctrico regulado a mano. La explosión produce en la base del impacto con el suelo y proyecta al aparato por el aire, al caer con un ligero desplazamiento produce un efecto de apisonado. H). APARATO DE LA COMPAÑÍA A.B. VIBRO – VERKEN. Este aparato es de tipo vibrador y se utiliza para la compactación de terraplenes. Se compone de una robusta placa de base giratoria en contacto con el suelo. El elemento vibratorio se compone de dos excéntricas que gira en sentido inverso movidas por un motor diesel o de gasolina. La dirección de la fuerza resultante de las excéntricas puede estar inclinada respecto a la vertical, lo que hace que la maquina sé autopropulse hacia delante o hacia atrás. El modelo mas pesado pesa 1600 Kg. y esta movido por un motor diesel de 10 CV. la velocidad de traslación puede alcanzar de 6 a 8 m/min. El mando por volante permite hacer girar el aparato en un punto fijo.
58
5.9. CALCULO DE LA ESTABILIDAD DE UN TALUD EN UNA PRESA DE TIERRA Y ENROCAMIENTO. Formulas para el cálculo de la curva de filtración en una presa de dos o más materiales en un suelo impermeable.
Formula para el gasto de filtración en un metro lineal.
59
5.9.1. Calculo de la curva de filtración en una presa de tierra de dos materiales. Para este ejemplo se considera una presa de dos materiales, uno de estos es del núcleo. Se determinara el gasto de filtración y la curva de filtración. Datos: b = 7.00 m. bn = 6.00 m. b´n = 220.00 m. H = 53.00 m. DH = 3.00 m. a+h = 1.50 m. Kp = 5x107 cm/seg. Kn = 3x109 cm/seg. Ks = 5x10 6 cm/seg. m1 = 3.50. m2 = 3.00. 1. Calculo del incremento de la longitud de filtración de la presa.
2. Calculo de la longitud total de filtración a través de la presa.
3. Calculo de la longitud total de filtración a través de la presa.
60
4. Calculo del gasto de filtración por metro lineal a través de la presa.
5. Calculo de la altura de la curva de filtración a cada 500 m.
Los resultados de la sustitución de la formula se tienen en la tabla siguiente.
6. Calculo de la corrección del coeficiente de permeabilidad.
61
Considerando: h´ = 3.41 m. L2 = 61.50 m.
7. Calculo del incremento de la longitud de filtración corregida de la presa.
8 .Calculo de la longitud total de la filtración corregida a través de la presa.
9. Calculo de la longitud total de filtración corregida a través de la presa.
10. Calculo del gasto de filtración corregido por metro lineal a través de la presa.
62
11. Calculo de la curva de filtración corregida a cada 50 m.
Los resultados de la sustitución de la formula se tienen en la tabla siguiente.
63
CAPITULO VI. RECOMENDACIONES Y CONCLUSIONES. 6.1. RECOMENDACIONES GENERALES PARA LA ESTABILIZACIÓN DE LAS PRESAS DE TIERRA Y ENROCAMIENTO. PRESAS DE TIERRA Y ENROCAMIENTO
Este tipo de presas se clasifican en pequeñas cuando la altura no rebasa los 10m, medianas de 10 a 50 m y más de 50m se considera grande. Este tipo de presas donde se emplea material terroso deberá cumplir lo siguiente: El vertedor deberá garantizar el total desalojo de las excedencias de acuerdo al gasto de diseño para el periodo de retorno correspondiente. El diseño de la sección transversal de la presa así como los drenes y filtros deberán garantizar la estabilidad bajo todas las circunstancias de almacenamiento, así mismo deberá ser diseñada y calculada considerando todos los esfuerzos producidos por el almacenamiento, la sismicidad, filtraciones, cargas, etc.
64
Este tipo de obra deberá contar con protección en los taludes y en la corona, contra el oleaje producido en el almacenamiento, filtraciones y acciones atmosféricas (intemperismo).
El núcleo y los drenes deberán garantizar la disipación de la energía de filtración en el cuerpo de la presa y evitar que se presenten deformaciones. TIPOS DE FILTROS EN PRESAS DE TIERRA O ENROCAMIENTO EN SUELOS PERMEABLES CASO I. Este tipo de filtro se emplea para suelos altamente inestables. Donde la planta del material impermeable permite que la filtración se presente lo más lejano a nuestra presa además de que sirve como una especie de ancla ayudando a la estabilidad. Se emplea para presas pequeñas y para una capa permeable poco profunda.
65
CASO II Dentro de este caso nos presenta un suelo permeable de poca profundidad lo cual permite construir una pared de material impermeable que nos ayude a mantener la estabilidad de la presa. El material que se emplea es arcilloso, el espesor de esta pared no rebasa el 1.50m y se emplea para presas pequeñas.
CASO III Emplea una pantalla de inyección con el objeto de rellenar fisuras y fallas en el subsuelo, para evitar una acumulación de subpresión en estos puntos y garantizar 66
la estabilidad de la presa. Al realizarse la inyección la presión de ésta no debe superar la resistencia del material del subsuelo. Este método se emplea para presas medianas y grandes.
CASO IV Nos presenta el empleo de un diafragma que es una pared delgada encajada en el subsuelo, esta pared puede ser prefabricada de concreto armado o metal.
Se emplea para presas de alturas medias y sus uso es generalmente en suelos terrosos. 67
CONCLUSIONES. Como conclusión de este trabajo de investigación se tiene que, un buen diseño de presas de tierra debe de garantizar la estabilidad, y la seguridad de esta, contra distintos tipos de falla, como son: la tubificación, el agrietamiento transversal, la licuación y el deslizamiento de los taludes, debido a que estas están ligadas con las propiedades mecánicas de los materiales que forman el cuerpo de la presa y la cimentación, por lo que al llevar a cabo el diseño y la construcción, el ingeniero debe conocer cuantitativamente dichas propiedades, así como sus posibles variaciones en función de los diversos factores que las afectan, para estar en condiciones de predecir un comportamiento de la presa a través del tiempo. Una buena información relativa de las características geotécnicas del sitio es también un elemento indispensable. En vista del gran numero de factores que intervienen en el comportamiento mecánico de los distintos tipos de materiales que pueden formar la sección de una presa, resulta imposible hacer una clasificación de valores de las propiedades mecánicas de estos, por lo que en cada caso es necesario llevar a cabo un programa de ensayos de campo y de laboratorio a fin de obtener dichos valores numéricos en cada caso. Por otra parte la descripción de los tipos de presas de tierra y enrocamiento, y sus soluciones, métodos de diseño, y construcción descritas en este trabajo, responde, más que a una idea preconcebida, a la conveniencia de construir una estructura económica y segura, utilizando los materiales que existan cerca de la boquilla, así como los métodos mas sencillos para su identificación y colocación.
V
BIBLIOGRAFÍA
Fuente (paginas, de la DGCOH). Revista contextos (Mayo /agosto 1999). Manual de diseño de obras Civiles. Diseño de presas Pequeñas Design of small Dams United States Department of the interior Bureau of Reclamation Washington D.C. Autor: Dominy. Quinta impresión Enero de 1976 Compañía Editorial Continental S. A. Presas de Tierra y Enrocamiento Autor: Raúl J. Marsal , Daniel Resendiz Núñez Editorial Limusa 1975 Mecánica de Suelos Tomo III Flujo de Agua en Suelos Autor: Juárez Badillo, Rico Rodríguez Editorial Limusa Principios Generales de Diseño y Construcción de Presas de Tierra. Ing. Enrique Tamez González. Reproducción del original editado por la revista “Ingeniería Hidráulica en México”, de la Secretaria de Recursos Hidráulicos, 1965.
VI
