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PRESAS DE MATERIALES SUELTOS Las presas de materiales sueltos son terraplenes artificiales construidos para permitir la contención de las aguas, su almacenamiento o su regulación. Este tipo de presa fue la más utilizada en la antigüedad. En los siglos XIX y XX han tenido uso bastante difundido debido al rápido desarrollo de la técnica para trabajos con tierra y roca, y por la gran variedad de esquemas constructivos que permite utilizar prácticamente cualquier suelo que se encuentre en la zona, desde materiales de grano fino hasta suelos rocosos previamente fracturados. Además de ésto, las presas de materiales sueltos tienen menos exigencias a la deformabilidad de la fundación que cualquier otro tipo de presa. En Colombia, éste es el tipo de presa más difundido entre los grandes proyectos hidroenergéticos. Algunos ejemplos son: Calima con 115 m de altura y construida en la década de los 60; presa de Golillas (Chingaza) de 127 m y construida en los 70’s; la presa Esmeralda (Chivor) con 277 m y construida también en la década de los 70’s, presa que fue de las más altas del mundo en su época; la presa de Salvajina con 150 m y construida en la década de los 80’s; la presa del Guavio con una altura total de 240 m y acabada de construir en la década de los 90’s. Cualquier tipo de presa debe ofrecer condiciones de seguridad durante la construcción y en el transcurso de su operación. Para ello, es importante que exista una buena coordinación entre el diseño y la construcción para asegurar que se hagan las correcciones necesarias de manera que las obras se ajusten lo mejor posible a las condiciones reales de campo.
Clasificación de las Presas Flexibles I. De acuerdo a los materiales utilizados I.1 Presas de tierra, en las cuales el volumen principal del cuerpo de la presa se hace con suelos arcillosos, arenosos, o areno-gravillosos de grano fino. I.2 Presas de roca-tierra, en las cuales el volumen principal del cuerpo de la presa se hace de suelos de grano grueso y los elementos antifiltrantes de suelos de grano fino. I.3 Presas de enrocados, en las cuales el cuerpo principal de la presa se hace de materiales con grano grueso y los elementos antifiltrantes de materiales aglutinados (pantallas antifiltrantes). II. Según el esquema constructivo de la presa II.1 Presas homogéneas, con un solo material en contacto con el filtro. II.2 Presas heterogéneas, en las que el cuerpo se compone de dos o más clases de suelos. Las presa heterogéneas a su vez se dividen según la colocación del elemento antifiltrante, así: • Presas con núcleo vertical • Presas con núcleo inclinado • Presas con pantalla impermeable aguas arriba
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III. Según el método de ejecución de los trabajos III.1 Terraplenado III.2 Relleno hidráulico III.3 Material arrojado IV. Según la condición de paso de los caudales de construcción y operación IV.1 Presas sordas: Son aquellas en que el caudal de filtración a través del cuerpo de la presa es mínimo en comparación con los caudales que son evacuados durante la construcción y la operación. IV.2 Presas filtrantes: Este tipo de presa puede hacerse de piedra (gaviones) sin elementos especiales antifiltrantes, permitiendo el paso de caudales apreciables a través de su cuerpo. IV.3 Presas auto-vertedoras: Son aquellas que tienen cresta y taludes dispuestos con estructuras de descarga de agua a flujo libre para permitir el paso de caudales de construcción o de operación.
Criterios para el Diseño de Presas Flexibles 1. No se debe permitir por lo general el rebosamiento por encima de la presa por lo que las estructuras de descarga deben proyectarse para evacuar los caudales de diseño. 2. Los taludes de la presa deben ser estables de manera que soporten todos los esfuerzos a que estarán sometidos durante la construcción y operación. 3. Se deben emplear materiales y protecciones apropiadas para que la filtración a través del cuerpo de la presa, la fundación y los estribos sea tan pequeña como posible, y menor o igual a la permisible. 4. Uno de los factores que contribuyen a la escogencia de uno y otro tipo de presa es la disponibilidad de materiales apropiados y en cantidad suficiente para el terraplén, y localizados dentro de una distancia razonable para la economía de la obra. 5. Los taludes y la corona de la presa deben estar convenientemente protegidos contra erosión por las olas, lluvia o viento y contra el agrietamiento. 6. Duración de la construcción.
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PRESAS FLEXIBLES HOMOGÉNEAS Y MIXTAS Las presas flexibles homogéneas y mixtas son aquellas estructuras construidas con tierra, o con una combinación de enrocado y núcleo impermeable de materiales finos. Las dimensiones del perfil de presas flexibles no se deducen de cálculos matemáticos, sino que se determinan por los resultados dados por la experiencia de otras presas existentes y en operación, o de otras construidas y falladas. Las dimensiones que se adopten deben ajustarse por los requerimientos dados por los cálculos de estabilidad. La construcción del terraplén se debe iniciar tan pronto esté finalizada la operación de preparación de la fundación, se haya excavado la caja del dentellón, y se haya colocado la tubería de conducción de la obra de toma. De ser posible se usan los materiales provenientes de las excavaciones, aunque se puede dar el caso de que las condiciones de éstos no sean tan buenas como las obtenidas de los bancos de préstamo. Antes de excavar el material en los bancos de préstamo se deberá hacer una inspección cuidadosa del material disponible, una determinación de las profundidades máximas de corte, y un estudio de la zona en que se va a colocar con el fin de evitar operaciones innecesarias y el uso de materiales inadecuados. Si se dispone en las fuentes de préstamo de materiales de diferentes calidades, el mejor se destinará para la zona central del núcleo.
1. Cimentación de las presas · La cimentación debe proporcionar un apoyo estable para el terraplén en todas sus condiciones de carga y saturación. · Debe tener resistencia a la filtración para evitar daños por erosión y pérdidas de agua. · El área de la fundación de la presa se debe limpiar totalmente removiendo todos los árboles, malezas, raíces, piedras, tierra vegetal, basuras, materiales permeables, etc., hasta llegar a una capa de suelo resistente y adecuada. La superficie obtenida para la fundación deberá ser escarificada antes de comenzar a construir el terraplén. · El área de fundación correspondiente a cauces de arroyos deberá ser limpiada, profundizada y ampliada hasta remover todas las piedras, grava, arena, y cualquier material indeseable. La limpieza de los cauces se efectúa profundizando de manera que los taludes de la excavación sean estables. · Cuando se encuentre roca durante la preparación de la fundación, es importante que ésta quede perfectamente limpia removiéndose de su superficie toda costra o fragmento de roca. Para esta operación no se podrá emplear ningún tipo de explosivos. · Es importante que se realice simultáneamente la preparación de la fundación y la excavación para la tubería de toma de agua de acuerdo con las pendientes y dimensiones mínimas indicadas en planos.
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· En esta etapa de la construcción es importante tomar todas las previsiones para controlar el agua hasta que se concluya la obra.
1.1 Tipos de cimentación • ·Cimentaciones en roca En general no presentan problemas de resistencia a la capacidad portante. El principal problema lo constituyen las filtraciones excesivas por fisuras y grietas. • Cimentaciones en limo-arcilla El problema estriba no tanto en las filtraciones como en la estabilidad del suelo de la cimentación. · Cimentaciones saturadas Es necesario estudiar el grado de consolidación del suelo previa identificación del mismo. El estudio es extensivo y puede resultar costoso. Algunas medidas constructivas son: reemplazar o quitar los suelos blandos, instalar sistemas de drenaje durante la construcción, suavizar los taludes del terraplén. · Cimentaciones relativamente secas Son suelos buenos desde que la relación de vacíos sea adecuada. Si el suelo es seco y de baja densidad pueden surgir asentamientos considerables cuando se cargue la presa y se sature el suelo, causando la falla bien sea por asentamientos totales y disminución del borde libre de la presa, o por asentamientos parciales que pueden partir el núcleo impermeable. Medidas constructivas a tomar son: reemplazo del suelo; delantales impermeables aguas arriba; filtro permeable aguas abajo; humedecimiento previo del suelo. • Cimentaciones en arena y grava Frecuentemente la cimentación de presas flexibles consiste en depósitos aluviales de arena y grava relativamente permeables. Se presentan los siguientes problemas básicos: magnitud de las filtraciones subterráneas, presiones producidas por las filtraciones; tubificaciones; y licuefacción. Arenas sin cohesión de baja densidad son peligrosas como fundación. Al presentarse pérdidas de agua del embalse hay que hacer la consideración sobre qué sale más caro: si el agua que se pierde o el tratamiento antifiltrante. Todas las presas construidas sobre material permeable deben tener un dren aguas abajo. 1.2 Medidas para mejorar la cimentación de las presas Los problemas de filtración se presentan generalmente aguas abajo debido a que la fuerza de presión del agua (subpresión) en un punto dado de la cimentación iguala a la presión ejercida por el peso combinado del suelo y agua por encima de él.
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Para contrarrestar filtraciones, se puede usar alguno de los sistemas siguientes o combinación de ellos. a) Dentellones de tierra del mismo material del núcleo impermeable de la presa. Siempre que sea posible, las filtraciones de una cimentación permeable se deben cortar con un dentellón que llegue el estrato impermeable. La anchura mínima del fondo (e) varia entre 0.6 m (USBR) y 1.0 m (HIMAT, para presas pequeñas), y se puede calcular tentativamente así: e =H-d e = ancho del fondo del dentellón H = carga hidráulica arriba de la superficie del terreno. d = profundidad del dentellón por debajo de la superficie del terreno. Profundidad mínima del dentellón = 0.20H. El dentellón puede tener las paredes verticales o inclinadas disminuyendo hacia abajo, ya que las fuerzas de filtración han disminuido al hacer el agua su recorrido en sentido vertical. Es necesario controlar el agua mientras permanezca abierta la excavación para el dentellón. b) Dentellones parciales Experimentos hechos han demostrado que un dentellón que se profundice un 50% de la distancia en el estrato permeable reduce un 25% la filtración, y si se profundiza un 80% las filtraciones se reducen en un 50%. c) Dentellones con tablestacas de acero Se usan ocasionalmente en combinación con un dentellón en tierra. Están limitados a cimentaciones de limo, arena y grava fina pues problemas del hincado en gravas pueden esperarse al romperse o doblarse el dentellón, aparte que resultan costosos. Por las uniones se pueden presentar filtraciones por lo que su efectividad se reduce. d) Dentellones de concreto in situ (diafragmas) Se construyen bombeando o inyectando lechadas de cemento que al mezclarse con el material de cimentación forman un elemento de arena y gravas unidas con cemento. Si el estrato impermeable está a cierta profundidad se puede combinar un dentellón en tierra y un diafragma. e) Inyecciones Pueden ser de cemento, asfalto, arcilla y materias químicas (silicato de sodio y cloruro de calcio) que en el suelo precipitan y forman una gel sólida. f) Colchones del lado aguas arriba Se usan generalmente cuando el manto impermeable está a una profundidad excesiva. El colchón se construye del mismo material impermeable de la presa. El espesor mínimo recomendado es 1.0 m. o 0.10H. El colchón se extiende hacia aguas arriba hasta que las pérdidas
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por filtración sean las consideradas para el proyecto y se debe unir con la zona impermeable de la presa.
g) Filtros y colchones horizontales de drenaje Su objetivo es mermar la presión del agua al permitir su descarga, y evitar la tubificación. El diseño es de tal forma que no ocurra movimiento de las partículas de la cimentación o del terraplén hacia el filtro. Se usan sobre cimentaciones permeables relativamente homogéneas cuando no hay dentellones efectivos. Se recomienda que la longitud del colchón sea 3H, evitando el efecto de la fuerzas de filtración tratando de levantar el talón aguas abajo. D15 filtro D15base D15 filtro D85base D85 filtro A
= 5 − 40
≤5
≥2
A = abertura máxima del tubo h) Drenes al pie de la presa y zanjas de drenaje Generalmente se combinan con los colchones horizontales de drenaje y sirven para colectar las aguas y conducirlas a una tubo de descarga exterior. También pueden ser usados en cimentaciones impermeables para estar seguros de que cualquier agua que pueda filtrarse a través del terraplén o la cimentación sea recogida. i) Pozos de drenaje Se usan cuando hay estratos impermeables de cierto espesor sobre otros permeables. La cimentación no necesita tratamiento antifiltrante si el espesor del estrato impermeable es mayor que γWH. La separación mínima que se acostumbra entre pozos es de 8.0 m. y el diámetro mínimo es de 6". Si las filtraciones son excesivas se puede hacer uso combinado de varios sistemas antifiltrantes.
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2. Elementos constitutivos
Sección transversal típica de una presa de tierra. HIMAT, 1989.
2.1 Cuerpo El cuerpo de la presa puede ser homogéneo o heterogéneo formado de diferentes materiales. Da estabilidad e impermeabilidad a la estructura. La Tabla N° 27 es una guía sencilla sobre la calidad de los materiales que constituyen la fundación y el cuerpo de la presa. Tabla N°° 27. Calidad de los materiales empleados en la construcción de presas homogéneas HIMAT, 1984. Clase de material
Arcilla
Contenido de arcilla % 40-60
Arcilla-arenosa
20-40
Arena-arcillosa
10-20
Arena
menos de 10
Calidad del material Fundación Cuerpo de la presa Muy buena. No Buena. La superficie necesita medidas de la presa debe especiales. revestirse con algún tipo de protección. Buena. Por lo general Buena. No necesita no necesita medidas medidas especiales. especiales. Regular. Se necesitan Regular. medidas especiales Se requieren medidas para detener la especiales para filtración. detener la filtración. Mala. No se admite Mala. No se admite para la construcción. para la construcción.
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Las arcillas expansivas o sea aquellas que sufren grandes cambios de volumen con los cambios de humedad no son apropiadas para la construcción de terraplenes debido a los permanentes cambios de humedad que presentan a los largo de su vida útil. En determinadas ocasiones se pueden emplear estas arcillas siempre y cuando se les dé un tratamiento de estabilización con cal o con cemento y además se revista el terraplén con una membrana impermeable (polietileno u otro similar) para mantener humedad constante. En este caso, la protección del talud se coloca exteriormente sobre la membrana. 2.2 Zonas de la presa mixta Pueden ser tres o más: · Núcleo impermeable · Filtros o material de transición · Espaldones de enrocado Las características del material que formará la presa se deben determinar en el proyecto, y llevar la obra de tal manera que se consigan tales características con el fin de lograr el coeficiente de seguridad deseado. Valores usuales del coeficiente de permeabilidad K para cada zona son: 10-7 - 10-9 Knucleo 10-2 - 10-4 Kfiltro m/s Kespaldón > 10-2 • Núcleo impermeable El tamaño del núcleo depende del material y de la cimentación. Puede ser grueso o delgado según la pérdida de agua que se pueda admitir y según el material que lo constituye. Material Núcleo Cohesión Núcleo _______________________________________ Arena limosa Grueso Limo arcillosa + Arcilla + Delgado El núcleo debe llevarse por encima del NFE. El ancho mínimo del núcleo en su parte superior debe ser entre 1.0 m. y 1.5 m. para facilitar la compactación. La anchura mínima del núcleo en la base puede ser H/2 si el núcleo es grueso. Un núcleo delgado puede proyectarse si el material que lo constituye es muy impermeable y la compactación es bien controlada. En este caso, el espesor en la base es del orden (1/3-1/7)H. • Filtros La granulometría de las zonas adyacentes debe ser tal que los materiales de una zona no sean arrastrados a otras. Se necesita por tanto una zona de transición entre el núcleo impermeable y el
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espaldón de enrocado lo que se logra con el uso de filtros. Los filtros por tanto evitan la fuga de partículas del núcleo al cuerpo de la presa protegiéndolo del lavado y pérdida de materiales finos. El uso de geotextiles como material de filtro debe limitarse al caso en que la diferencia del tamaño de las partículas entre el núcleo y los espaldones no sea mucha, pues si hay por ejemplo piedras grandes y arcillas, esfuerzos de tensión pueden generarse y el geotextil se daña. Para presas pequeñas el núcleo impermeable de arcilla se puede reemplazar por asfalto. •Material permeable de los espaldones de enrocado El material permeable se coloca aguas abajo para permitir el abatimiento de la línea freática y mermar presiones intersticiales por el agua filtrada y se coloca aguas arriba para permitir la disipación de presiones al hacer desembalse rápido y para proteger los taludes de erosión por oleaje, etc. 2.3 Taludes La pendiente de los taludes de presas pequeñas de material homogéneo depende de la altura total del terraplén, de las características de los materiales empleados, y del grado de compactación exigido para su construcción. Por regla general, al talud húmedo por estar sometido a la acción del agua se le asigna una pendiente más suave para evitar deslizamientos. Tablas N° 28 y 29. Tabla N°° 28. Taludes recomendados para presas de material homogéneo sobre bases compactas y estables. HIMAT. 1984. Altura de la presa [m] Arcillas de baja plasticidad Hasta 4 4a8 Arcillas arenosas Hasta 4 4a8 Arenas arcillosas, arcillas muy Hasta 4 plásticas, limos elásticos. 4a8m Material del terraplén
Inclinación del talud Aguas arriba Aguas abajo 2:1 1.5:1 2.5:1 2:1 3:1 2:1 3.5:1 2.5:1 4:1 3:1 4:1 3:1
Tabla N°° 29. Inclinación de los taludes de presas homogéneas. Altura de la presa [m]
≤ 5.0 5.1 a 10.0 10.1 a 15.0 15.1 a 30.0
Talud
Aguas arriba 2.0:1.0 2.5:1.0 2.75 a 3.0:1.0 3.0 a 3.5:1.0
Aguas abajo 1.5 a 1.75:1.0 2.0:1.0 2.5:1.0 2.5 a 2.75:1.0
Las presas mixtas permiten taludes más pendientes dependiendo de los parámetros de resistencia del enrocado (ϕ), llegando a tener relaciones comunes entre 1.5H:1V, y 2.0H:1V.
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2.4 Bermas Se pueden construir cada 10 o 20 m. de altura de la presa, dotándolas de cuneta para canalizar las aguas. Son convenientes en presas altas para: · Facilitar el tránsito durante la construcción · Permitir reparaciones posteriores · Mejoramiento de la estabilidad 2.5 Corona El ancho mínimo que se da a las presas pequeñas en su corona obedece a los siguientes factores: · Dar mayor volumen a la presa para mejorar su seguridad y estabilidad. · Establecer los servicios necesarios sobre la presa, utilizándola como vía de mantenimiento e inspección. · Facilitar la construcción con los equipos disponibles. Tabla N°° 30. Ancho de corona mínimo según el Código de Arizona. Altura de la presa [m] < 12 12 a 45 > 45
Ancho de corona [m] 3.0 4.5 6.0
El HIMAT (1984) dice: · Ancho mínimo cuando no se usa como vía = 3.0 m ·Ancho mínimo cuando se usa como vía = 3.60 m. El ancho mínimo usado en Italia es de 2.5 m. Una recomendación práctica es tomar el ancho de la corona iguala ¼ de la altura. El drenaje superficial de la corona se logra dando un bombeo así: · Pendiente transversal cuando el talud seco está revestido: 2% hacia ambos lados a partir del centro . · Pendiente transversal cuando el talud seco no está revestido: 2% hacia el lado aguas arriba. · La protección para evitar erosión cuando no se usa como vía consiste en 0.10 m. de afirmado o grava.
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· Si se usa como vía se hace el diseño teniendo en cuenta parámetros de diseño de carreteras y las especificaciones de la carretera que conecta. Se suele colocar mínimo 0.20 m. de afirmado carreteable.
2.6 Borde libre o resguardo El borde libre protege a la presa para evitar que el agua pase por encima de ella. Tiene las siguientes funciones: · Contrarrestar asentamientos por encima de los previstos. · Seguridad en caso de avenidas más grandes que las previstas. · Evitar sobrepaso por olas o fallas por mal funcionamiento de vertedero de demasías. Tabla N°° 31. Borde libre para presas flexibles. HIMAT. 1984. Altura total de la presa <4 4a6 6a8
[m]
Borde libre [m] 0.6 0.9 1.2
Tabla N°° 32. Borde libre en presas. Justin. 1903. Altura de la presa Baja Mediana Alta
Borde libre [m] 0.5 a 1.5 1.8 a 3.0 3.0 a 9.0
2.7 Obras de protección Una presa de materiales sueltos bien construida puede contener el agua y resistir la presión hidrostática bastante bien, pero puede tener problemas con la circulación de agua sobre la superficie. Además, es importante prevenir cualquier arrastre de material del terraplén que pueda ocasionar el paso de agua a través del cuerpo de la presa.
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Solución típica para presas en arcillas expansivas con alturas menores de 5 m. HIMAT, 1989.
Es por tanto necesario tomar medidas protectoras así: • Protección del talud aguas arriba El talud aguas arriba debe protegerse contra el efecto de las olas y lluvia, fluctuaciones de nivel del embalse, y animales que puedan cavar galerías. Generalmente el enrocado colocado al volteo es suficiente. Si el efecto de las olas es muy grande, unas losas de concreto resultan preferibles. El concreto armado no suele emplearse en las presas de tierra pero sí en las de escollera donde menores asentamientos pueden preverse. Las recomendaciones mínimas que deben seguirse para el diseño del enrocado de protección son: · En enrocado se debe colocar sobre un filtro de grava o gravilla de 0.30 m. de espesor. · El espesor mínimo del enrocado es de 0.30 m. si se coloca en forma manual, y de 0.45 m. si se coloca al volteo, es decir descargado directamente sobre el filtro del talud. Para taludes 2:1, el espesor del enrocado se aumenta en 0.15 m. · El enrocado se coloca en todo el talud desde el pié hasta la corona de la presa. · Las rocas escogidas para el enrocado deben ser angulares, duras, de peso individual variable entre 10 y 300 libras, pero sin que el porcentaje de rocas de 10 libras ni el de 300 libras, sea mayor del 25%. Además el tamaño debe ser variado entre el rango especificado. · Si el enrocado es acomodado a mano se debe especificar una colocación cuidadosa similar a la de la mampostería seca (sin pegar) pero dejando espacio entre las rocas para facilitar el drenaje al bajar el nivel del agua en el embalse. · En caso de que no se disponga de piedras angulares se pueden emplear piedras redondeadas grandes partidas, siempre y cuando cumplan los requisitos de peso individual.
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Iribarren y Hudson han dado expresiones para el cálculo del peso de la piedra a colocar como protección sobre el talud aguas arriba. (Revista Ingeniería Hoy N° 3. Facultad de Ingeniería Civil. Universidad del Cauca. 1986). La expresión propuesta por Hudson es: W≥
ho3γ s tagα 3.2∆3
∆=
γ s −γ w γw
W = peso de la piedra ho = altura de la ola γs = peso específico de la piedra α = ángulo de inclinación del talud γw = peso específico del agua El diámetro medio equivalente se puede calcular mediante la siguiente expresión: Dm = n 3
W γs
Dm = diámetro medio n = 1.32 para piedra con aristas irregulares n = 1.20 para piedra con aristas redondeadas
Protección del talud aguas arriba con sacos llenos de concreto. HIMAT, 1989. • Protección del talud seco Se emplea el más económico entre las siguientes dos opciones: · Una capa de piedra triturada de 0.30 m de espesor. · Una cubierta de tierra vegetal de 0.20 m. sembrada de pasto. Es importante que la protección del talud seco en la línea de intersección entre el terraplén y la ladera se realice con cuidado para evitar erosiones y deslaves.
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El talud seco debe proveerse de drenaje. Este tipo de protección se utiliza solamente para presas con alturas superiores a 5 metros. El drenaje se hace indispensable en presas homogéneas. El drenaje del pié del talud seco se requiere para evitar la saturación y derrumbe del talud y para impedir que el agua infiltrada arrastre el material del cuerpo de la presa. El drenaje abate el nivel freático dentro de la presa evitando su salida sobre el talud aguas abajo lo que llevaría a su destrucción. El tipo de drenaje empleado para pequeñas presas es el que se conoce con el nombre de prisma de drenaje. Este se construye con piedras, grava y arena, las especificaciones de diseño son: a) Altura igual a 20% de la altura de la presa. b) Ancho de la corona 1.0 m. c) Talud cara interna 1.5:1 y talud cara externa 2.0:1. d) Entre la superficie de contacto con el terraplén o la fundación, y el prisma de drenaje se colocan dos filtros, cada uno de 0.20 m. de espesor, uno de arena y el otro de grava.
Drenaje al pie del talud seco. HIMAT, 1989.
Escuadra típica para control de taludes. HIMAT, 1989.
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3. Filtración a través de la presa Para garantizar la seguridad y la economía en una estructura del tipo de presa flexible, es indispensable conocer la influencia del chorro de filtración sobre la presa, la posición de la curva de filtración, el punto de salida del chorro de filtración, la altura de la elevación por capilaridad del agua, la composición química de los suelos y del agua que se filtra. Para la solución de los problemas de filtración en las presas de suelos existen métodos hidromecánicos, hidráulicos y experimentales que han sido obtenidos para el caso de propiedades isotrópicas, pero para casos en que esta propiedad no se presente, habrá que introducir correctivos en las soluciones obtenidas. Para el cálculo de la filtración se pueden aplicar varios métodos. Unos métodos son más aproximados que otros, pero en general puede decirse: Toda red de filtración se construye en la hipótesis de que el suelo de un estrato dado por donde se filtra el agua es uniforme en su permeabilidad. En realidad, en los estratos de suelos naturales, la permeabilidad varía de punto a punto, especialmente a lo largo de líneas normales a los límites del estrato. Por ello, la diferencia entre una red de filtración crudamente esquematizada y otra exacta es comúnmente pequeña, comparada con la diferencia entre la fluencia del agua en el suelo real y la que indica la red de filtración exacta. La universalidad de esta circunstancia hace que los refinamientos en la construcción de redes de filtración, como los estudios detallados sobre modelos físicos o matemáticos no se justifiquen desde el punto de vista práctico para proyectos de presas pequeñas.
4. Estabilidad de la presa La estabilidad de los taludes de una presa se determina por su capacidad para resistir esfuerzos cortantes ya que la falla se produce por deslizamiento a lo largo de una superficie de corte. El análisis de estabilidad de la presa consiste en determinar la estabilidad de sus taludes aguas arriba y aguas abajo. Se hace por unidad de longitud de talud. Este es un proceso de tanteos en que se suponen diferentes condiciones de carga a que puede estar sometida la presa. Las fuerzas que producen el movimiento de la masa que constituye el talud son: fuerzas de gravedad, fuerzas sísmicas, acción del oleaje, del hielo y sobrecargas. Las fuerzas que se oponen al movimiento son las debidas a los parámetros de resistencia del suelo que constituye el terraplén: cohesión y fricción interna del material. Los terraplenes hechos de materiales granulares son mas estables ya que tienen mayor resistencia a la fricción y por ser mas permeables permiten la rápida disipación de las presiones intersticiales. Por ésto, presas homogéneas de materiales mas o menos impermeables llevan taludes mas tendidos que las presas mixtas o las de enrocado. El talud de aguas arriba por estar sometido a la permanente acción del agua es mas tendido que el de aguas abajo. La situación mas critica para el talud aguas arriba es el rápido desembalse que sigue a un largo periodo de niveles altos en el embalse, y para el talud aguas abajo es la máxima saturación del terraplén cuando el embalse esta lleno.
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La resistencia al esfuerzo cortante se obtiene por la ecuación de Coulomb: En presiones efectivas:
τ = C´+σ tagφ´ τ = esfuerzo cortante C = cohesión σ = esfuerzo efectivo total normal a la superficie potencial de deslizamiento φ = ángulo de fricción interna
σ =σ +µ σ = esfuerzo total normal a la superficie potencial de deslizamiento µ = presión del agua en los poros, determinada por medio de piezómetros, red de flujo, teorías de consolidación Las anteriores ecuaciones indican que la resistencia al esfuerzo cortante se reduce por la presencia del agua. En un principio las cargas son absorbidas por el agua pero si se da tiempo a que el material consolide , la presión de poro se disipa y empieza a actuar el suelo. El análisis de estabilidad se puede hacer considerando esfuerzos efectivos o totales. El análisis de las presiones efectivas se usa para chequear el comportamiento a largo plazo de la presa dando lugar a que el exceso depresión de poros se disipe. Se tienen en cuenta φ´ y C´. El análisis de presiones totales se usa para cargas aplicadas súbitamente y si: • El llenado del terraplén se hace sobre suelo impermeable saturado. • Después de un desembalse rápido en suelos impermeables saturados. • Después de una excavación en suelos impermeables saturados. Si el suelo es permeable, el agua sale y la presión de poros se disipa rápidamente. El análisis por presiones totales se aplica mas a suelos impermeables por lo que se puede asumir φ = 0 y τ = C. En términos generales los pasos a seguir son (Cújar G., 1992): 1. Se supone una superficie de falla la cual puede ser: por el pie del talud, por la base o por el talud. Esto determina una masa deslizante y una superficie de deslizamiento. La masa deslizante define las fuerza motoras que producen el deslizamiento y la superficie de falla permite calcular las fuerzas que se oponen al deslizamiento. 2. Se calculan los momentos resistentes y los momentos motores o deslizantes 3. Se calcula el factor de seguridad para la superficie de falla asumida
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Si la falla es de tipo traslacional, el factor de seguridad es n
Fs =
∑ fuerzas estabilizantes i =1
n
∑ fuerzas desestabilizantes i =1
Si la falla es de tipo rotacional el factor de seguridad es: n
Fs =
∑ momentos estabilizantes i =1
n
∑ momentos desestabilizantes i =1
4. Asumir otras superficies de falla para obtener el factor de seguridad mínimo del talud. •
Métodos para analizar la estabilidad de un talud
a) Método sueco b) Método de Fellenius c) Método de Bishop Modificado Además, de los anteriores que son bastante usados mundialmente, existen otros mas rigurosos (Sarma, Morgenstern y Price, Spencer) e incluso otros mas rápidos que sirven como guía para estimar la posición del centro del círculo crítico, determinar el tipo probable de falla y encontrar el ángulo del talud adecuado a los requerimientos de seguridad (Duncam y Buchigmani). a) Método sueco Uno muy sencillo es el método sueco o el del círculo de falla por deslizamiento, que puede afectar a parte del talud, a todo el talud o a éste y parte de la cimentación. Este es un método de tanteos en el cual: a) Se fija un centro del círculo de falla y su radio, de forma que desde el centro se traza un círculo que divide en dos el terraplén. b) Se determinan las fuerzas actuantes y resistentes. c) Se calculan los momentos. d) Se determina el factor de seguridad del círculo supuesto. e) Se suponen otros círculos de falla y encontrar el factor de seguridad del talud. El método sueco se puede aplicar a cualquier pendiente y combinación de fuerzas para suelos netamente cohesivos o sea cuando la resistencia al esfuerzo cortante del suelo sea independiente de los esfuerzos normales al plano de falla (τ = C). El factor de seguridad por este método está entre 10% y 15% mas bajo que otros métodos mas exactos.
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b) Método de Fellenius Es un método en que la superficie de falla se divide en n dovelas o tajadas para analizar el sistema de fuerzas. Este método al igual que el de Bishop permite considerar materiales heterogéneos y analizar otras superficies de falla. También, es conveniente utilizar este método cuando la resistencia al esfuerzo cortante del suelo es función de los esfuerzos normales o sea:
τ = C + σ tagφ
Se proponen los siguientes pasos generales para determinar la estabilidad de un talud: 1. Suponer una superficie de falla circular, la cual puede ser por el pie del talud, la base del talud, o el talud mismo. Esta superficie de falla determina una superficie de deslizamiento y una masa deslizante. 2. Dividir la zona de falla en dovelas de espesor constante o variable. 3. Calcular las fuerzas motoras y las fuerzas que se oponen al deslizamiento o fuerzas resistentes para cada dovela. 4. Calcular los momentos motores y los resistentes que actúan a lo largo de la superficie de falla. 5. Calcular el factor de seguridad para la superficie de falla asumida. 6. Asumir otras superficies de falla y recalcular el factor de seguridad hasta encontrar el mínimo. El factor de seguridad al deslizamiento se obtiene así. n
Fs =
∑ momentos estabilizantes i =1
n
∑ momentos desestabilizantes i =1
n = número de dovelas Las fuerzas a considerar incluyen los efectos de sismos, hielo, olas, embalse lleno o vacío. Un factor de seguridad de 1.5 se considera suficiente para presas. Tabla N°° 33. Guía para los factores de seguridad: análisis de estabilidad de esfuerzos efectivos. Novak, P. et al. 2001. Caso 1 2 3 4
Condición En construcción, final de la construcción. Operación a largo plazo, embalse lleno. Desembalse rápido Carga sísmica con 1, 2 o 3
Factor de seguridad 1.25
Talud Aguas arriba y abajo
1.5
Aguas arriba y abajo
1.2 1.1
Aguas arriba Aguas arriba y abajo
1. Los valores anteriores deben interpretarse en el contexto del caso particular, considerando como incertidumbres en cualquiera de los parámetros principales, µ (presión de poros), C´ y φ´. 3.
Mínimos de diseño mas altos son apropiados en análisis basados en parámetros de esfuerzos totales y en resistencias pico en el caso de suelos frágiles.
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La presencia de un estrato delgado de baja resistencia al corte puede gobernar el plano de falla, simplificando el problema.
Estrato muy blando Arcilla dura Otro caso en que la estratigrafía del suelo gobierna la superficie de falla se ilustra a continuación:
E
•
Estrato muy blando
Método para encontrar el centro del círculo de falla mas crítico
El método consiste en encontrar un punto en la base de la presa a una distancia de 4.5H iniciando al pie del talud. El punto A se intercepta con el punto del corte superior del talud, que se prolonga una distancia 0.4H, a la cual se encontraría una primera aproximación del círculo de falla al que se encuentra el factor de seguridad correspondiente. Sobre la misma línea se localizan cuatro o cinco puntos mas, dependiendo de si al calcular el valor del factor de seguridad, los valores se dispersan o se aproximan todos a un mismo valor. Se toma el punto con el mínimo factor de seguridad encontrado y se traza por ese punto una perpendicular sobre la cual se ubican otros cuatro o cinco puntos que van a ser los centros de los círculos de falla con menores valores del factor de seguridad. Se escoge el valor mas bajo entre estos.
0.4H
Centro mas crítico
H
4.5H
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5. Asentamiento de la presa El asentamiento de la presa es del mayor interés para su estabilidad. El mayor asentamiento se produce durante la construcción de la presa y durante los primeros meses de su operación. Los asentamientos ocurren en la presa y la fundación por diferentes causas tales como compactación inadecuada de la presa y la fundación, preparación incorrecta de la fundación, empleo de materiales de mala calidad. Los asentamientos pueden llevar a la falla de una presa al causar el rompimiento de la membrana impermeable, del núcleo o de los filtros. Otra causa de fallas es el aplastamiento de materiales por las cargas actuantes encima de ellos. El asentamiento se produce en dos etapas: 1. El principal, que ocurre durante la construcción, lo que no afecta la membrana impermeable a menos que se construya al mismo tiempo que el cuerpo de la presa. 2. El secundario, que ocurre al llenarse el vaso y se produce la transmisión de las fuerzas del agua al enrocamiento. Cuanto mayor sea el tamaño de los bloques, es menor el número de puntos sujetos a aplastamiento. Presas de escollera hechas de granito o caliza no asientan más del 2%, aunque se puede llegar al 5%. El valor del asentamiento vertical durante el período de explotación de una presa de arcilla usualmente no es mayor del 1.0% de la altura pero puede llegar al 3% o más. Como recomendación general en presas pequeñas se puede proporcionar la siguiente altura adicional por asentamientos: Fundación y terraplén Materiales no compresibles Materiales compresibles
% de altura total 2 5
Lauton propuso la siguiente fórmula:
S = 0.001P 3 / 2 P = altura de la presa S = asentamiento durante la explotación
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PRESAS EN ENROCADO Son terraplenes formados por fragmentos de roca de varios tamaños cuya función es dar estabilidad y por una membrana aguas arriba que es la que proporciona impermeabilidad. Nacen en California a mediados del siglo XIX. Su adopción se indica en los siguientes casos: · Abundancia de roca de la zona · Inadecuada cimentación para presas rígidas · Altos costos para el transporte de los elementos del concreto · Las presas de enrocado se pueden ejecutar en toda época y con gran rapidez. Es preciso interrumpir la construcción de presas de concreto gravedad en localizaciones donde bajas temperaturas se presentan, y de presas de materiales fino durante épocas lluviosas. · Si el cimiento es de roca muy agrietada, la subpresión para presas de concreto gravedad es alta por lo que da un perfil ensanchado y por tanto una presa de escollera se prefiere al no haber problemas de subpresión. · Caso en que la comparación económica con respecto a otras alternativas presente la presa de enrocado como la más favorable. 1. Elementos constitutivos · Cimentación Los requisitos de cimentación para este tipo de presa son menos exigentes que para las de concreto ya que son más flexibles, pero son más exigentes que para las de suelo puesto que la pantalla impermeable podría quebrarse. · El dentellón Es un cierre hermético a lo largo del contacto de la pantalla impermeable con la cimentación y los empotramientos. El dentellón está situado en el talón aguas arriba de la presa y contribuye a cortar filtraciones. Sirve también de apoyo al peso de la membrana. Facilita hacer inyecciones si se requiere mejorar la cimentación. Sus dimensiones están generalmente gobernadas por razones constructivas. La profundidad depende de la naturaleza del suelo de fundación. Usualmente, tiene un ancho mínimo de 1.0 m. · Pedraplén Por economía, la roca del cuerpo debe estar situada cerca del emplazamiento de la presa, y éste es uno de los factores que gobiernan su selección. La roca se obtiene de las canteras debiendo ser dura y durable para que resista el acarreo, funcionamiento, y operación. La roca no debe tener materiales inestables o lajas. El tamaño está restringido por el equipo a usar. Puede ir de 2 cm a mas de 1.0 m. Las lajas deben evitarse pues pueden acomodarse dejando grandes huecos. Al aumentar las cargas, las piedras débiles se rompen ocasionando grandes asentamientos. El empleo de grandes bloques de roca da mayor estabilidad pero si se colocan espesores de roca muy grandes, los pesados irán al fondo y los finos quedan superficialmente. Siempre es mejor emplear grandes bloques limitando los finos. Los finos (polvo, arenas) no deben constiruir mas de un 3%
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El talud de aguas abajo se tiende de forma que se logre el ángulo de reposo de la roca para evitar tener que poner zonas estabilizadoras. El talud de aguas arriba puede ser más pendiente, dado que está confinado por la pantalla impermeable, pero por razones constructivas suele inclinarse. Los taludes pueden construirse algo convexos, de forma que si se producen asentamientos del terraplén, las juntas de la membrana impermeable tienden a cerrarse en vez de abrirse. El ancho mínimo que se recomienda en la corona es de 2.50 m. Los taludes pueden ser interrumpidos por bermas con el fin de aumentar la estabilidad y facilitar la construcción de la estructura. La construcción del enrocamiento es lo más importante desde que se debe tratar de disminuir el asentamiento total y la posibilidad de perjudicar la membrana impermeable. El terraplén se puede colocar al volteo usando medios mecánicos, en franjas que antes eran de 20.0 m, pero en la actualidad se usan mejor de 1.0 m. Conviene colocar sobre cada capa agua a presión lo que ayuda al acomodo de partículas y lubrica los bloques facilitando así mismo su acomodo. En presas pequeñas conviene colocar el enrocamiento en capas también pequeñas para evitar la presencia de grandes huecos. • Zona de transición Antes de colocar la pantalla impermeable se suele colocar sobre el enrocado una franja de 4.5 m. de espesor; esta zona puede ser de arena y grava graduada compactada en capas de 30 cm. de altura. Se suele colocar a mano o muy cuidadosamente para lograr un buen apoyo de la pantalla impermeable. • Pantalla impermeable Antes de colocarse la pantalla, debe dejarse que se produzcan los mayores asentamientos. Pueden fabricarse de diversos materiales: · Concreto reforzado Es el tipo más común de membrana. Para presas bajas, un espesor de 20 cm. es suficiente y no son necesarias juntas de dilatación horizontales ni verticales. Juntas verticales pueden ser necesarias si la longitud de la presa es considerable. En la línea de unión de las paredes rígidas de la pantalla con la cerrada se deben dejar juntas de expansión. El acero es del 0.5 al 0.7% del área del concreto vertical y horizontalmente, respectivamente. Algunos recomiendan espesor de la plaza igual al 1% de la carga de agua pero mínimo 0.20 m. · Pantalla de concreto reforzado fundido in-situ Consiste de una placa de concreto armado vertido directamente sobre la piedra arreglada. El mortero penetrando en los vacíos es un vínculo de unión. Se disponen juntas horizontales y verticales para resistir asentamientos. Bajo las juntas se pueden dejar bloques de concreto alojados en espacios dejados en la escollera.
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· Lozas de concreto asfáltico Proporcionan flexibilidad al cierre aguas arriba. Se debe hacer primero un riego de penetración sobre el cual se coloca luego la mezcla asfáltica en capas de aproximadamente 10 cm. El espesor total puede ser de 30 cm. La mezcla puede tener un 8% de asfalto con referencia al peso del agregado seco. Para la construcción, se usan máquinas pavimentadoras bajadas desde la corona por medio de cables. Deben hacerse ensayos de impermeabilidad, adherencia con la piedra, facilidad de tendido de la capa, resistencia y estabilidad a la temperatura para llegar al diseño adecuado del concreto asfáltico. · Acero Este tipo de pantalla consiste en placas de acero de 0.7 a 0.9 cm. de espesor, y en longitudes manejables. Pueden ir atornilladas o soldadas. · Madera Pueden resultar baratas pero están sujetas a destrucción por las condiciones de exposición a la humedad o sequedad. Pueden usarse provisionalmente durante los primeros años y cuando el asentamiento se produzca reemplazarlas por pantallas de concreto. Se usan tablones de madera clavados sobre largueros enterrados en el enrocado. Estos largueros pueden a su vez sujetarse a postes enterrados profundamente
2. Estabilidad del enrocado La estabilidad de un enrocado constituido por materiales no friccionantes, como gravas, arenas y limos no plásticos, considera los siguientes factores: · La máxima inclinación del talud es igual al ángulo de fricción interna del material. · La máxima inclinación es independiente de la altura del talud. · La superficie de falla es plana. · El talud es estable si el ángulo de inclinación se hace menor que el ángulo de fricción interna. Factor de seguridad
W
τ α N
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a) Suelos friccionantes secos tagφ > 1.0 tagα α = ángulo de inclinación del talud φ = ángulo de fricción interna del material F .S . =
b) Suelos friccionantes y talud sumergido
F .S . =
tagφ ´ > 1.0 tagα
φ´ = ángulo de fricción interna del material en presiones efectivas
Ventajas y desventajas de las presas flexibles Tipo de presa Homogénea de • suelo fino •
Ventajas El material se compacta con un • solo equipo, facilitándose también la explotación de materiales, el transporte y el almacenamiento. Las líneas de flujo son mas largas. • •
Mixta
• • •
• • Taludes con pendientes mas altas. • Menor cantidad de materiales de construcción • Se facilita la construcción por etapas, especialmente si el núcleo • es inclinado hacia aguas arriba
Desventajas Se requieren altos controles en la compactación para evitar que queden estratos con diferentes propiedades. Se pueden presentar altos asentamientos. Mayor inestabilidad del talud aguas arriba durante desembalses rápidos. Mayor volumen de material. Se requiere protección de taludes. Se requieren diferentes equipos para hacer la compactación de las zonas. Se necesitan diferentes áreas de préstamo y almacenamiento. El núcleo puede quebrarse si es muy esbelto y presentarse discontinuidades
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Fallas mas comunes en la construcción de presas flexibles A continuación se mencionan las fallas mas comunes en presas flexibles, según estadísticas vistas durante el curso de presas en Delft, 1984. Causa Hidrología e hidráulica Diseño y construcción Geología y mecánica de suelos Operación y mantenimiento Ambientales Otras
Falla Hidráulica
• •
(20% corresponden • a presas altas • y 50% a • presas bajas) Filtración
• •
(50% corresponden a presas altas y 30% a presas bajas)
• • • •
Estructural
• • •
(33% corresponden a presas altas y 20% a • presas bajas) • •
Porcentaje de fallas 45 30 8 6 6 5
Problemas Asentamientos debido a la compresibilidad del terreno de fundación. Paso del agua por encima de la cresta de la presa debido a asentamientos o a la poca capacidad del vertedero. Acción de las olas sobre el paramento aguas arriba. Fallas del filtro. Erosión al pie de la presa si la descarga de agua del vertedero y la salida de fondo queda muy próxima a la estructura. Erosión de los taludes debido a la lluvia. Pérdida de agua debido a la erosión, o a terraplenes permeables desde el principio. Raíces formando parte del terraplén. Filtraciones a lo largo de conductos que cruzan el terraplén. Fallas por expansión y contracción de suelos plásticos. Animales que excavan el terraplén. Deslizamientos de la fundación. Alta velocidad de construcción. Deslizamiento de los taludes debido a materiales inadecuados de construcción, desembalses rápidos, cambios en la posición de las líneas de flujo, factores atmosféricos. Angulo de fricción interna del suelo menor del esperado. Desembalse rápido. Taponamiento del filtro.
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REFERENCIAS Gómez Navarro. J. L y Aracil J. J. Saltos de agua y presas de embalse. 1944. Grishin M. M. Estructuras Hidráulicas. Tomos 1 y 2. Mir. Moscú. 1974. Linsley R. y Francini J. Ingeniería de los Recursos Hidráulicos. Continental. México. 1975.
Compañía Editorial
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