Diseño estructural de la pantalla de hormigón

En este numeral se presentan los criterios básicos que se han seguido para el diseño de la pantalla de hormigón de la presa del Proyecto Misicuni.

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La presa estará conformada por un relleno de gravas compactadas impermeabilizado por una pantalla de hormigón en el talud de aguas arriba. El diseño de la pantalla de hormigón se basa fundamentalmente en las experiencias y criterios aplicados en presas similares en funcionamiento.

La pantalla de hormigón está conformada por una losa de hormigón reforzado de espesor constante, con ligero aumento del espesor en las losas de arranque y colocada sobre un relleno semi-impermeable de 3,0 m horizontales de espesor constituido por gravas procesadas (Zona 2B). Las losas de arranque empatan con un plinto el cual está anclado a la roca por medio de barras de anclaje. El remate en la parte superior de la losa es un bordillo sobre la cresta de la presa, el cual permite la construcción o continuación de la losa durante la ampliación de la presa en segunda etapa.

El talud de aguas arriba de la presa sobre el cual se construye la losa de hormigón está conformado por bloques de hormigón estrudado, los cuales servirán igualmente de protección de la Zona 2B durante construcción. En la Fig. 8.9 se ilustran las dimensiones y disposición de la pantalla de hormigón.

Figura 8.9 Pantalla de hormigón, Misicuni. Fuente [74] Los datos básicos de la presa son:

• Elevación de la cresta 3749 msnm

• Elevación nivel de agua máximo normal 3740 msnm

• Altura máxima de la presa en talud aguas arriba 85 m

• Longitud de la cresta de la presa 302 m

• Ancho final de la cresta de la presa 12 m

• Espesor de la losa de hormigón Variable de 0,30 a 0,45 m.

• Talud de la pantalla de hormigón 1,5H:1,0V

Criterios de diseño estructural de la pantalla

A continuación se presentan los criterios particulares tenidos en cuenta para el diseño de la pantalla de hormigón.

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• El espesor de las losas de hormigón se ha previsto constante, con un leve aumento de espesor de 0,30 m a 0,45 m cerca de la junta perimetral para disminuir los esfuerzos de compresión por contacto con el plinto. Dicho espesor debe ser el mínimo que permita la instalación adecuada del refuerzo y de los sellos garantizando así la durabilidad e impermeabilidad de la estructura.

• Para la determinación del acero de refuerzo de la losa se han tenido en cuenta los esfuerzos de tensión, compresión y flexión que se desarrollan por causa de la deformación de las losas como reflejo de la deformación del enrocado compactado ante la carga hidrostática y el peso propio. A lo anterior se han agregado los esfuerzos por retracción de fraguado y cambios de temperatura.

• El tipo de hormigón de las losas de la cara se ha establecido con la mínima cantidad posible de cemento para minimizar agrietamientos, pero cumpliendo con la exigencia de resistencia, durabilidad y permeabilidad requeridas para su correcto funcionamiento.

• No se esperan movimientos diferenciales mayores a los que comúnmente se han registrado en presas similares, por tal motivo en las juntas perimetral y verticales de tensión se han previsto dos tipos de sello (el superior y el inferior). Lo anterior, debido igualmente a que el espesor reducido de la losa dificulta el vaciado adecuado del hormigón a los lados de un eventual sello central.

• El diseño estructural del plinto se ha efectuado teniendo en cuenta la flexión que se origina durante el proceso de inyección de la cortina impermeable, estando anclado a la roca por medio de barras de acero, así mismo se han tenido en cuenta los esfuerzos de compresión o tensión que se generan en el plano del plinto por efectos de retracción de fraguado y cambios de temperatura.

A continuación se amplían cada uno de los criterios aquí expuestos:

El espesor de las losas de hormigón se ha determinado con base en experiencias previas. Las caras de hormigón ya construidas han demostrado buen comportamiento bajo altos gradientes hidráulicos y condiciones extremas del medio ambiente.

El criterio para definir el espesor de la pantalla de hormigón ha sido determinando en función de la fórmula e=0.30+0.00kH , donde H es la altura del embalse. Inicialmente se utilizó k=3; posteriormente en algunos casos se ha utilizado k=2 e incluso se han diseñado presas con alturas inferiores a 120 m con k=1.

En Australia se han utilizado losas aún más delgadas y de espesor constante, como es el caso de cuatro presas con alturas cercanas a 80 m diseñadas con espesor de 0,25 m y un engrosamiento cerca de la junta perimetral. Para la presa de Murchison, que tiene 94 m de altura, se tiene una losa de 0,30 m de espesor constante.

Para la presa de Misicuni, se considera aceptable usar un espesor de 0,30 m. Este espesor será aumentado cerca del plinto, en una franja de 5,0 m, variando linealmente de 0,30 m hasta 0,45 m en la unión con el plinto. Se ha considerado un gradiente hidráulico máximo a través del hormigón de la losa de 390:1 en la zona del talón, con el nivel máximo de embalse de la presa realzada en segunda etapa.

Refuerzo de las losas

Es normal que ocurran grietas de retracción; se aceptan y no tiene ninguna consecuencia especial en el funcionamiento de la presa.

Se ha proyectado usar un hormigón de 21 MPa de resistencia a la compresión con baja cantidad de cemento y una resistencia satisfactoria para el comportamiento de la losa bajo las cargas hidrostáticas.

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Tradicionalmente se ha colocado el refuerzo en la mitad de la losa, con un buen comportamiento, tanto desde el punto de vista de flexión como de compresiones o tensiones. En el diseño inicial de presas de pantalla de hormigón se utilizó una cuantía del orden del 0,50% pero con la experiencia obtenida, se ha disminuido a 0,40% e incluso hasta 0,30%, como es al caso de la presa Aguamilpa.

La ausencia de fisuras verticales aún con cuantías del orden de 0,30% indica que el refuerzo horizontal podría reducirse. El mínimo acero de temperatura y retracción comúnmente aceptado es del orden de 0,25%. Debido a las condiciones especiales del sitio de Misicuni (altitud y cambios de temperatura) el refuerzo de la losa principal se ha determinado con base en una cuantía convencional de 0,35% en ambas direcciones.

El refuerzo se debe colocar en una sola malla localizada en la parte central de la losa, con las barras horizontales situadas debajo de las barras inclinadas, en forma similar a lo acostumbrado en presas de este tipo. Como el espesor de la placa es de 0,30 m, el acero colocado en el centro estará más cerca de la superficie y controlará de una mejor forma el fisuramiento. Así mismo mejora notablemente el rendimiento en la colocación de acero de refuerzo.

En las juntas de dilatación se debe colocar un refuerzo adicional para impedir la ruptura diagonal del hormigón por fuerzas concentradas de compresión.

Junta perimetral

La conexión de la losa principal con la losa perimetral o plinto se ha previsto de modo que orientando la dirección de la junta vertical de dilatación sea normal a la junta perimetral, para permitir de esta forma deflexiones normales de la pantalla de hormigón.

En la presa Alto Anchicayá, con un solo sistema de sellado en la junta perimetral, se presentaron filtraciones de magnitud importante durante su primer llenado, debido a fallas locales del sello y a defectos del hormigón en cercanías del mismo. También se observaron movimientos grandes de apertura en la junta perimetral en especial en algunos sitios donde fue difícil la compactación del relleno de la presa en el estribo derecho.

Para la definición de los sellos y con el fin de limitar las filtraciones a valores mínimos se ha seguido el criterio utilizado con éxito en presas ya construidas, tales como Cethana (110 m de altura), Salvajina (140 m de altura), Foz de Areia (160 m de altura). En las cuales se utilizaron los siguientes sellos:

Para la junta perimetral, donde se esperan movimientos de tres tipos, asentamientos normales a la pantalla y movimientos paralelos y normales a la junta en el plano de la pantalla, se han utilizado tres sistemas de defensa. En la parte inferior de la placa, se localiza un sello de cobre, sobre una banda de P.V.C., la cual descansa sobre una base de arena asfalto. En la parte central de la placa de hormigón se coloca el sello tradicional de P.V.C., debidamente protegido contra las aristas agudas que pueda dejar el hormigón cuando ocurran los desplazamientos esperados en la junta. En la parte superior se coloca el bulbo del material fino protegido con una banda de P.V.C. la cual se encuentra fijada a la placa de hormigón con ángulos y pernos de anclaje.

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• En la presa de Misicuni la estanqueidad de estos tipos de sellos es indispensable durante todo el funcionamiento del Proyecto.

• La eliminación del sello central facilita la construcción porque normalmente se presentan dificultades en la colocación del hormigón adyacente. En este caso, con losa de 0,30 m, el efecto es todavía más significativo con el fin de asegurar la eliminación de hormigóns porosos o no bien compactados en la cercanía de este sello.

• La tendencia australiana en el diseño de la junta perimetral es precisamente de eliminar este sello aún para presas de gran altura según lo plantean Sherard y Cooke. Para el sello superior existe la posibilidad de adoptar un mastic cubierto con una banda de P.V.C., o en lugar de mastic un material fino no cohesivo tipo Fly Ash. Por la dificultad de conseguir un mastic que garantice un comportamiento plástico (flexibilidad y consistencia) durante toda la operación del proyecto se preferirá la utilización de Fly Ash o ceniza volante, según la norma ASTM C-618.

Además, se ha previsto utilizar madera de abarco o similar en las juntas a compresión para proteger los bordes de hormigón y evitar fisuras en la zona de la junta. En las zonas en que la junta trabaja a tracción se debe colocar poliuretano líquido o un material bituminoso tal como asfalto premoldeado.

Ancho de losas

La pantalla de hormigón se ha dividido en franjas monolíticas o losas principales, separadas por juntas verticales de dilatación. El ancho típico de cada una de las franjas es de 15 metros, valor utilizado en varias presas similares por ser práctico y económico para el uso de formaletas deslizantes, en este tipo de presas.

Distribución de losas exteriores e interiores

Las losas principales se dividen en losas exteriores e interiores. El límite de estas se ha establecido en cada estribo, en función de su geometría, en la Fig. 8.9 se puede apreciar la distribución de estas losas, cada tipo de losa lleva una clase de junta de dilatación vertical, acorde con el tipo de esfuerzo a que van a estar sometidas. Las losas exteriores estarán sometidas a tensión, es decir tienden a separarse y las losas interiores a compresión.

Juntas verticales

Para las juntas exteriores se ha previsto usar un sello de cobre de 55 cm de ancho en la parte inferior, y un relleno de material de sello de ceniza volante (Fly Ash) en la parte superior, cubierto con una banda de P.V.C. de 50 cm de ancho, fijada al hormigón con ángulos y pernos de expansión, utilizando el mismo criterio expuesto para la junta perimetral. Para las losas interiores se ha previsto usar el mismo sello de cobre mencionado, colocado en la parte inferior, pero sin colocar el sello superior.

Juntas horizontales

Se han previsto juntas de construcción horizontales localizadas en los sitios donde se interrumpa el vaciado continuo del hormigón de la losa (elevación 3710 msnm) y donde se terminan las losas de arranque. Según lo descrito en las especificaciones técnicas se colocará el acero de refuerzo pasando a través de la junta para controlar los movimientos diferenciales.

Detalles de la cresta

En la parte superior de la presa se ha previsto la construcción de un bordillo de hormigón, que forma parte de la vía sobre la cresta de la presa, el cual tiene un ancho del orden de 12 m. El bordillo se empalma con las losas principales y las losas de los estribos, mediante una junta horizontal de construcción; cada 15 m se coloca una junta de dilatación, las cuales coinciden con la prolongación de las juntas de dilatación de las losas de la pantalla de hormigón.

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La junta horizontal de unión entre el bordillo y las losas de la cara tienen el mismo sistema de tratamiento de “corte verde”, con el acero de refuerzo pasando a través de ellas, con el propósito similar al expresado para las juntas horizontales, de tal forma que permita la continuación de las losas en la segunda etapa de construcción de la presa.

Curb o bordillo de hormigón estrudado

El diseño contempla la colocación de módulos o bloques trapezoidales de hormigón estrudado de baja resistencia sobre la superficie del talud de aguas arriba de la presa, como sustituto de la protección de la Zona 2 B en hormigón neumático. Este sistema presenta un alto rendimiento y un eficiente comportamiento estructural.

La altura de los bloques en hormigón estrudado es de 0,55 m, tal como se ha utilizado en proyectos recientes como la presa de Antamina (Perú) y del proyecto Goro (Nueva Caledonia), obteniéndose resultados altamente satisfactorios en la construcción.

Losa perimetral o plinto

Para determinar el ancho total del plinto se tuvo en consideración la máxima presión que pueda actuar sobre él, la cual corresponde al nivel máximo del agua de la presa realzada en segunda etapa, correspondiente a la elevación 3782 msnm.

El espesor del plinto fue determinado con base en un gradiente en el hormigón de 300:1 con el cual se tiene un ancho constante igual a 0,40 m. Este espesor es constante a lo largo de los estribos desde la parte inferior o talón hasta la cresta de la presa. No se ha considerado necesario disponer de juntas de dilatación en la losa perimetral o plinto y del talón, puesto que está anclada a la roca y tiene acero de refuerzo suficiente para absorber los esfuerzos por retracción y temperatura.

El ancho del plinto varía entre 4,0 m y 10 m con base en un gradiente hidráulico de la roca de 12:1 para el máximo nivel de agua de la presa en su elevación final, es decir la elevación 3782 msnm.

En los sitios donde se requiere un ancho de plinto mayor a 4,0 m por razones del gradiente hidráulico, se ha previsto la construcción de una losa de estribo complementaria, denominada losa de estribo interior. Esta es una prolongación del plinto, de iguales características, pero localizada en el interior del relleno de la presa construida en hormigón neumático de 0,20 m de espesor reforzada con malla electrosoldada.

Sistema de anclajes

El plinto esta anclado a la roca por medio de barras de anclaje #10 en acero corrugado grado 60, las cuales están espaciadas 1,50 m x 1,50 m. El patrón de espaciamiento de dichas barras corresponde a la presión ejercida sobre el plinto por una inyección primaria de 1,0 kgf/cm2, la longitud de 5,0 m de anclaje en roca se definió de acuerdo con las características de la roca y esfuerzo de adherencia roca – hormigón. Esta longitud deberá ser confirmada en campo de acuerdo con las características reales de la roca y de los materiales a utilizarse.

Refuerzo del plinto

El refuerzo del plinto se ha diseñado para soportar los esfuerzos de flexión y corte que se presentan durante el proceso de inyección, con base en una cuantía mínima de 0,45% en ambas direcciones.

Muro de empate con el vertedero

Con el fin de asegurar la correcta unión del plinto con el vertedero del proyecto, se ha previsto la construcción de un muro en hormigón reforzado que sirva de apoyo al plinto sobre la cresta del estribo izquierdo de la presa.

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El muro estará anclado a la roca de fundación por medio de barras de anclaje #10 espaciadas a 1,50 m x 1,50 m, y será en hormigón reforzado con una malla de acero que se instalará en todas las superficies del contorno de dicho muro. Todas las juntas de construcción así como la junta de unión con la estructura de control del vertedero, llevaran sellos de P.V.C. de 0,22 m de ancho con el fin de asegurar la estanqueidad en la unión de estas estructuras..

Alineamiento del plinto

Los criterios para definir el alineamiento del plinto fueron los siguientes: o Disminuir el número de quiebres del plinto.

o La fundación del plinto deberá seguir un plano similar al de una rampa de acceso que permita las labores de inyección en los estribos.

Los anteriores criterios aunque pueden representar un mayor volumen de excavación, garantizan la unión óptima del plinto con la pantalla de hormigón, impiden la concentración de aguas lluvias sobre la junta perimetral y facilita la construcción de los hormigóns del plinto, las losas de arranque y los trabajos de inyección.

Estructura para continuación del plinto de la segunda etapa de la presa

En la Fig. 8.6 se presento la estructura prevista para la prolongación del plinto de la pantalla de hormigón para la segunda etapa de la presa. Esta estructura corresponde a un muro en hormigón construido sobre el canal del vertedero con cresta a la elevación 3749 msnm, con una altura máxima de 12 m y taludes 1,0H : 1,0V aguas arriba y 0,5H : 1,0V aguas abajo. La estructura conectará el muro derecho de la estructura de control del vertedero con el talud de la margen izquierda del canal de aducción del vertedero, a partir del cual se continuará el plinto convencional para la segunda etapa de la presa, excavado en roca. El Anexo A-7 complementa con el plano de ubicación.

CAPÍTULO 9