CAPÍTULO IV PARÁMETROS DE DISEÑO PARA UNA PRESA DE ARENA
4.4 Diseño del Talud
El talud se prediseña con métodos de equilibrio límite (MEL). Este método considera una superficie circular de deslizamiento, que se divide en varias dovelas y se comparan las fuerzas solicitantes con las fuerzas resistentes de los materiales de construcción y fundación, tal como se muestra en la figura 4-1 (Barrera y Campaña, 2005).
Figura 4-1: Dovelas de Talud Homogéneo Fuente: ARCADIS
Se utilizan los algoritmos de Bishop Simplificado, Spencer o Morgenstern-Price. Esta metodología es estimativa, ya que para el diseño es válida para presas con altura no mayor a 40 m.
Para la determinación del coeficiente sísmico, éste debe ajustarse a las características del área. En el caso de Chile, se recomienda utilizar la expresión del Ing. Roberto Saragoni (1993), con un mínimo de kh = 0,15 y kv = 0. La aceleración máxima (amáx) se obtiene mediante un estudio de riesgo sísmico (Barrera y Campaña, 2005).
Los factores de seguridad esperados, se muestran en la tabla 4-6:
Tabla 4-6: Factores de Seguridad Mínimos
F.S.Estático > 1.5
F.S.Sísmico > 1.1
F.S.Postsismo 1
En el drenaje basal, considerar:
F.S. 5
Fuente: ARCADIS
CAPÍTULO V
HISTORIA Y TIPOLOGÍA DE LAS PRESAS CFRD
5.1 Introducción
El suelo es el material de construcción más abundante del mundo y en muchas zonas constituye el único material disponible localmente. Desde el período neolítico, la tierra se ha utilizado para la construcción de monumentos, tumbas, viviendas y, principalmente, estructuras de retención de agua.
Cuando se emplea el suelo como material de construcción se debe seleccionar el tipo adecuado de suelo, así como el método de colocación y luego, controlar su colocación en la obra. Una masa de suelo colocada por el hombre constituye un relleno y el proceso se suele denominar “rellenado”. Uno de los problemas más habituales de este tipo de construcción es que el material proviene de diversos lugares de extracción, conocidos como “empréstitos” o zonas de préstamo. La tarea más importante es que deben certificarse las propiedades del material de empréstito o bien, deben cambiarse las condiciones de diseño durante la construcción.
En este capítulo, se realiza una estimación de las características de la presa CFRD.
Esta caracterización es meramente descriptiva donde se estimarán los datos para la modelación del sistema estructural.
5.2 Historia
La evolución de las presas de roca se puede dividir en tres etapas: Inicial (1850-1940), de transición (1940-1965) y moderna (1965-actualidad). La época inicial data de la fiebre del oro en California. Los mineros de las sierras de California desarrollan la construcción de muros de presas de roca suelta, en donde utilizan tablones de madera para “impermeabilizar”
la cara aguas arriba de la presa, llegando a alturas estimadas de 25 m con pendientes bastante fuertes (V:H = 1:0,5 o 1:0.75). La primera presa de roca que usa hormigón como revestimiento de la cara aguas arriba de la presa fue la presa “Chatsworth Park”, que se construye en California durante el año 1895. Luego, la presa del Rio Dix (1984) en Kentucky con 84 m. de
altura y la presa de Salts Springs (1931) con 101 m. de altura son las presas CFRD más grandes construidas en el período. Esta última, a pesar de tener problemas de filtración en algunos sectores, sigue operando hasta el día de hoy (Savas, 2005).
Durante el período de transición, existen algunas limitaciones y problemas con las presas CFRD de altura mayor a 90 m. A modo de ejemplo, la disponibilidad de material rocoso adecuado, debido a que la roca suelta dispuesta en los muros necesita una mayor resistencia a la compresión no confinada. Otra problemática que surge la compactación de la roca, ya que se dispone en capas cuyo espesor fluctuaba entre 18 m. y 60 m., lo que produce grandes filtraciones, debido a su mala compactación (Savas, 2005).
Sin embargo, su estudio no se desarrolla hasta 1945, cuando se desarrollaron nuevas técnicas y transportes de tierra masiva. Sin embargo, se abandona su estudio en la década siguiente, debido a que los equipos de compactación generan asentamientos no pueden ser controlados (Savas, 2005).
Durante los años 1955 a 1965, la transición final de muros con roca suelta a roca compactada se torna muy necesaria, debido a la necesidad de presas más altas, la no disponibilidad de rocas de mayor calidad en los sitios donde se construyen estas estructuras y el desarrollo de nuevos equipos compactadores de tambor vibratorios. En este período, la disposición de la roca en el muro bajó a 3 m. (Savas, 2005). Finalmente, durante la década de los 1970, este tipo de muro de presa tiene un desarrollo vertiginoso. Se genera una alta demanda de construcción de presas de este tipo debido a los avances en el diseño de hormigón, estabilidad de taludes y diseño sísmico (Peña et al, 1996), tal como se muestra en la figura 5-1.
El uso que se le ha dado a este tipo de presa ha sido principalmente en agua dulce. En Chile, existe una presa CFRD, la presa Puclaro. En América, sin embargo, existen varias presas CFRD, de las cuales se muestran las más importantes en la tabla 5-1 (Peña et al, 1996).
Figura 5-1: Construcción de presas CFRD durante entre 1890-2010 (proyectado) Fuente: The Design of Concrete-Faced Rockfill Dam
Tabla 5-1: Presas CFRD en América Latina y Chile
Nombre Ubicación Año de Término
Construcción
Altura de Coronamiento
(m)
Aguamilpa Mexico 1993 187
Foz de Areia Brasil 1980 160
Xingo Brasil 1994 150
Salvajina Colombia 1983 148
Segredo Brasil 1991 145
Puclaro Chile 1999 83
Fuente: A Study of a Concrete Faced Rockfill Dams
En la figura 5-2, se muestra la vista frontal de la presa CFRD Foz de Areia, Brasil. En la figura 5-3, se muestra una foto satelital de la misma presa. Esta presa es la más importante de su tipo en America Latina.
Figura 5-2: Vista Frontal, Presa Foz de Areia, Brasil Fuente: http:// hhenkels.googlepages.com/
Figura 5-3: Vista Satelital de la Presa Foz de Areia Fuente: Google Earth
5.3 Principales Características de la Presa CFRD
Las presas de roca reducen considerablemente utilizan un núcleo de roca (de cantera o fluvio-glacial). Los beneficios de construir presas con núcleo de roca son:
• Economía, ya que se puede utilizar material de empréstito cercano al lugar.
• Es factible de construir donde las condiciones de fundación no son óptimas,
especialmente donde una alta presión hidrostática que eleve el muro sea un factor a considerar en el diseño.
• Es de rápida construcción, ya que si existen condiciones climáticas adversas, no se requiere una especial consideración durante la construcción, como en el caso del hormigón (curado, cantidad de agua según temperatura ambiente, etc.).
• La filtración del núcleo de roca, puede ser controlado de buena forma.
La presa CFRD optimiza el comportamiento de este muro de roca con una pantalla de hormigón en la cara aguas arriba del talud. Combina de gran forma las ventajas estructurales del núcleo de roca y la del muro de hormigón, como cara impermeabilizante.
Las principales características estructurales de ese tipo de presas son (Badenhorst, 2005):
• Tiene un talud de desarrollo pequeño (V/H = 1/1.5 a 1/1.7).
• No requiere un suelo de fundación competente. Sólo requiere que el suelo de fundación no sea demasiado permeable, que produciría asentamientos diferenciales que afectarían la cara de hormigón.
• Puede tener grandes alturas de coronamiento (sobre 200 m)
• Si la filtración de la pantalla de hormigón es alta, el núcleo de roca no colapsaría de manera demasiado fácil.
• Bajos asentamientos del núcleo de roca, en relación a su altura.
• Factor de seguridad del talud sobre 7.
• La presión de poros en el núcleo de roca es bajo, lo que aumenta su resistencia sísmica.
• En caso de que el muro sea sobrepasado, es poco probable que falle, debido a la presión de poros inducida por el agua.
5.4 Consideraciones del Lugar
Como primera consideración, siendo una de las más importantes, es la investigación de las condiciones del lugar. Un proyecto de esta envergadura, considerando que el área a utilizar para la laguna artificial y la posición del muro CFRD influye directamente en su vida útil. Una buena investigación permite seguridad y estabilidad al diseño, de lo contrario, se puede perder toda la inversión, pudiendo incluso, transformar esta pérdida en vidas humanas, flora y fauna.
Las siguientes consideraciones deben estudiarse a la hora de elegir un sitio para la presa CFRD.
• Consideraciones geológicas y geofísicas
• Topografía y geomorfológicas.
• Estudios Hidrológicos de la cuenca, con un período de retorno no menor a 100 años, de modo que pueda asegurarse una larga vida a la presa.
• Disponibilidad de material de empréstito en la cercanía del lugar y, por supuesto, determinar si es apto para la construcción
• Permeabilidad de la roca donde se fundará el muro, ya que éste puede verse afectado por la presión hidrostática (levante del muro).
• Estudios de Impacto Ambiental, que permitan estimar como afecta el proyecto al ecosistema existente en el lugar.
5.5 Ventajas y Desventajas
La construcción de una presa CFRD implica muchas ventajas Algunas de estas ventajas son (Badenhorst, 2005):
• Saneamiento de la superficie de emplazamiento es mucho más corto que las presas de material granular.
• El uso de un núcleo de roca es beneficioso en lugares de clima húmedo y lluvioso, ya que no incide en las propiedades mecánicas del núcleo.
• La limpieza del suelo de fundación es requerida solamente donde se coloca el plinto.
• Es posible realizar la construcción del muro CFRD en varias etapas, minimizando el costo de inversión inicial.
Las desventajas que puede tener el sistema son (Badenhorst, 2005):
• El diseño del plinto debe considerar el suelo de fundación. Se debe tener especial cuidado si la roca es débil.
• Debe tenerse especial cuidado en la fabricación y construcción de las juntas verticales del hormigón, debido a las filtraciones.
• Debe tenerse especial cuidado en las juntas y sellos de muros con alturas superiores a los 200 m.
5.6 Características Presa CFRD
5.6.1 Zonas Importantes del Muro Principal
En la figura 5-4 se presentan los típicos muros CFRD. La figura 5-5 muestra un caso real de un muro CFRD de la presa Mohale, en Lesoto.
Nº Descripción
1 Cara de Hormigón Estructural, espesor varía de 30 a 60 cms
2 Roca, tamaño máximo, 60 cm 3 Roca, tamaño máximo 150 cm
4 Zona de Transición de material granular, tamaño máximo 20 cm
5 Filler, que puede ser arcilla o arena fina.
6 Muro Parapetado
7 Plinto y muro de hormigón inyectado
Figura 5-4: Muro Típico CFRD
Fuente: A Study on Concrete Faced Rockfill Dams
Nº Descripción 1 A Filler o arcilla que actúa como sellador de la junta plinto-cara de
hormigón
1 B Protege el material de la zona 1 A.
2 B Zona semi impermeable. Capa homogénea para la construcción del muro de hormigón
3 A Zona de Transición entre Zona 2 y Zona 3.
3 B Provee masa al muro y resiste la carga hidrostática. Limita la deformación de la cara de hormigón.
3 C Resiste la carga hidrostática y el asentamiento durante la construcción.
3 D Protege a la zona 3C de la erosión.
3 E Roca de drenaje.
Figura 5-5: Detalle 1 Muro Principal
Fuente: The Design of Concrete Faced Rockfill Dams
En general, la zona 1 protege al plinto. Consiste principalmente de material de suelo impermeable o un sustituto similar, el cual podría eventualmente sellar cualquier fisura existente en el sector (Savas, 2005). Esta zona no es del todo necesaria y puede omitirse en el diseño de una presa. Sin embargo, se sugiere su utilización, especialmente en muros CFRD de gran altura y para solución de depósitos de relave.
La zona 2 A es un filtro que debe retener las arcillas y arena fina, ya que debe controlar una posible filtración en caso de que falle la zona 1 A y 1 B o bien, cedan las juntas de expansión.
La zona 2 B debe ser el soporte de la cara de hormigón, por tanto debe proveer de una superficie homogénea para reducir el uso del hormigón.
La zona 3 (muro principal), en general, consiste de tres partes importantes.
Excepcionalmente, pueden existir 2 partes adicionales, que depende exclusivamente del diseño de la presa (Savas, 2007; Badenhorst, 2005) y de su altura.
La zona 3 A es la zona de transición entre la zona 2 y el muro de roca principal. Esta zona es una barrera que, en caso de una filtración importante en la presa, impida que el material de la zona 2 sea erosionado por acción del agua entre los vacíos que puedan existir en la zona 3 A (Savas, 2005). Además, limita el movimiento diferencial de la cara de hormigón.
La zona 3 B provee de masa al muro, resiste la carga hidrostática del agua y ayuda a limitar la deformación de la cara de hormigón.
La zona 3 C resiste una pequeña parte de la carga hidrostática. Sin embargo, es importante para controlar el asentamiento durante el período de construcción. En esta zona, la disposición de las capas puede ser de hasta dos metros, con rocas de gran tamaño (Badenhorst, 2005).
La zona 3 D es útil para proteger la zona 3 C de la erosión. No requiere diseño especial.
Finalmente, la zona 3 E una roca que permite el drenaje del muro durante la construcción o en caso de filtraciones importantes en el cuerpo principal del muro (Badenhosrt, 2005).
CAPÍTULO VI
ESTIMACIÓN DE PARÁMETROS DE DISEÑO DE LA PRESA CFRD
6.1 Introducción
Desde el siglo XIX, la roca ha sido un material muy importante a la hora de construir presas de agua. Recientes proyectos incorporan a la roca parte fundamental del diseño de la presa y, de acuerdo a este estudio, forma parte importante en el diseño de una presa CFRD.
Gracias a los avances en el diseño de las presas CFRD en términos del comportamiento del muro de roca, las actuales presas que están en diseño o en construcción alcanzan alturas por sobre los 200 m, con taludes que oscilan entre los V: H = 1:1.3 a 1:1.5.
Gran parte de estos avances se debe a las propiedades de la roca del muro que son: gran resistencia al corte, taludes estables con relación V: H mínimos, una casi despreciable presión de poros y baja compresibilidad del muro que depende, sin embargo, de su tipo de compactación.
El diseño de la presa CFRD está basado en la experiencia y en el juicio experto de los profesionales, al igual que las presas de arena reciclada para relaves que existen actualmente en Chile.
En el siguiente capítulo, se definen las partes más importantes de la presa CFRD en lo que refiere a diseño para su utilización como depósito de relaves en Chile.
6.2 Consideraciones para el diseño
6.2.1 Suelo de Fundación
Para el diseño de la presa, se deben considerar ciertos aspectos del suelo de fundación, que son (Lau, 2007):
• Resistencia: El tipo de suelo debe tener la capacidad suficiente de resistir las tensiones inducidas por la presa. La resistencia al corte debe ser mayor o igual al del muro (Badenhorst, 2005).
• Deformación: Deben considerarse las deformaciones debido a las grandes cargas que se producen por la presa. Debe ser un suelo de baja compresibilidad (Badenhorst, 2005).
• Heterogéneo: Del mismo modo, el comportamiento es heterogéneo, lo que producirá tensiones locales adicionales.
6.2.2 Plinto (o muro de partida)
El plinto para una presa CFRD debe ser de preferencia fundado en roca. Sin embargo, con una ingeniería adecuada, es posible construir el plinto en un suelo que no tenga las características de la roca. Generalmente, se disponen tramos de 6 m. a 8 m. en donde se perfora el suelo existente y se ubican dowells hacia el estrato más competente. Finalmente, la perforación se rellena con un grout y se construye el plinto (Savas, 2005). La inyección de hormigón minimiza los asentamientos y filtraciones en la roca.
En las figuras 6-1 y 6-2, se muestra el detalle típico de una fundación con plinto.
1 Roca de fundación 2 Hormigón armado 3 Cara de impermeabilizante de
Hormigón
4 Hormigón Inyectado 5 Junta de Filtración de PVC 6 Junta de Filtración de Cobre 7 Línea del plinto
Figura 6-1: Diseño típico de Plinto
Fuente: “A Study on Concrete Faced Rockfill Dam”
A Cara impermeabilizante de hormigón B Plinto con hormigón armado 1 Banda de PVC
2 Filler de goma
3 Filler de Material Compresible 4 Junta de Filtración PVC 5 Junta de Filtración de Cobre 6 Cilindro de Neopreno 7 Cilindro de polietileno 8 Mezcla Arena – Asfalto
9 Material Semi-permeable < 10 cm 10 Refuerzos estándar
11 Refuerzo para proteger el hormigón del aplastamiento y de la junta de filtración
Figura 6-1: Diseño de la Junta de Filtración Fuente: “A Study on Concrete Faced Rockfill Dam”
Así mismo, se recomienda que el hormigón para el plinto sea altamente durable y que tenga una permeabilidad baja. Se recomienda, al igual que la cara de hormigón un H20, con una estimación de la cuantía de acero de 0.003 (Badenhorst, 2005).
El espesor de la cara de hormigón está dado por la altura del muro.
6.2.3 Diseño del muro de roca
La ubicación del muro de roca en una presa CFRD es siempre aguas abajo del depósito de relaves, al igual como en el caso de un depósito de agua dulce. En este tipo de presas es necesario que el factor de seguridad del talud sea alto, ya que la gran parte de la carga hidrostática es resistida se traspasa a la fundación a través del eje de la presa (Savas, 2005).
En general, se sugieren las siguientes bandas granulométricas, mostradas en la figura 6-2.
Sieve Aperture Apertura de Tamiz Particle Size Tamaño de Partícula
Micrometre: micrones
Millimetre: milímetros
Percentage Smaller Porcentaje que pasa por el tamiz
Figura 6-2: Bandas Granulométricas Estimadas para el Muro Fuente: The Design Of Concrete Faced Rockfill Dam
La zona 1 se sugiere utilizar goma fina (mastic) o bien arcilla. Este material debe ser compactado en capas de 0.3 m (Badenhorst, 2005).
La zona 2, en general, consiste en gravilla, de tamaño máximo 15 cm, mezclado con arena y finos, de modo que provee una capa firme y uniforme que sostiene la cara de hormigón de la presa. La proporción ideal de material es 60% gravilla y 40% arena y finos. La disposición de este material es en capas de 0.4-0.5 m, compactados con rodillos vibratorios de 10 ton (Savas, 2005).
La zona 2 A debe ser una mezcla no plástica de fragmentos de roca con alta durabilidad. Se diseña como un filtro que debe retener las arcillas y arena fina. Esta capa debe ser compactada en capas de 0.2 m (Badenhorst, 2005).
En la zona 2 B se utiliza normalmente gravilla Es recomendable, aplicar una capa de shotcrete, con un espesor mínimo de 10 cms, para así generar una superficie lo suficientemente homogénea para el asentamiento de la cara de hormigón. La capa debe ser compactada en capas de 0.4 m (Badenhorst, 2005). En la figura 6-3 se muestra el detalle de las zonas 2 A y 2 B en el sector donde se encuentra el plinto.
Nº Descripción
Rojo Plinto y Cara de Hormigón , espesor varía de 30 a 60 cms
2 A Filtro de arenas y partículas de roca.
2 B Material granular y roca, tamaño máximo 20 cm. Sobre esta capa se aplica shotcrete, para mejorar la base para la cara de hormigón.
3 A Grava
Figura 6-3: Detalle 2 Muro Principal Base Aguas Arriba Fuente: “The Design of Concrete Faced Rockfill Dams
La zona 3 A es la transición entre la zona 2 B y 3 B que consiste en una capa de 3 a 4 m de espesor. Le da estabilidad al filtro que se produce entre las zonas y limita el movimiento diferencial de la cara de hormigón. El tamaño máximo es de 15 cms.
La zona 3 B tiene una alta permeabilidad (entre 10-2 y 10-1 cm/s) y el tamaño máximo estimado es de 60 cm.
En la zona 3, en general, el ángulo de fricción varía entre un 45º y un 60º dependiendo de la graduación del material. El tamaño máximo es de 150 cm.
La figura 6-4 muestra la posición de la zona 3 A y 3 B.
Nº Descripción 2 A Filtro de arenas y finos.
2 B Material granular y roca, tamaño máximo 20 cm. Sobre esta capa se aplica shotcrete, para mejorar la base para la cara de hormigón.
3 A Zona de Transición de material granular, tamaño máximo 20 cm
Rojo Cara de hormigón + muro parapetado.
3 D Protege a la zona 3C de la erosión.
Figura 6-4: Detalle 3 Muro Principal Coronamiento Fuente: The Design of Concrete Faced Rockfill Dams 6.2.4 Cara de Hormigón
Durabilidad e impermeabilidad es mucho más importante que la resistencia del hormigón. Se considera que un hormigón H20 es adecuado (Savas, 2005).
Durabilidad e impermeabilidad es mucho más importante que la resistencia del hormigón. Se considera que un hormigón H20 es adecuado (Savas, 2005).