Análisis de la filtración en presas con cimientos yesíferos
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(3) DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL: HIDRÁULICA Y ENERGÉTICA E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS. ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. TESIS DOCTORAL. CARMEN MARÍA BAENA BERRENDERO Ingeniera de Caminos, Canales y Puertos. DIRECTOR DE TESIS: MIGUEL ÁNGEL TOLEDO MUNICIO Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. 2011.
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(5) Tribunal nombrado por el Mgfco. y Excmo. Sr. Rector de la Universidad Politécnica de Madrid, el día............... de............................. de 20.... Presidente D. Vocal. D.. Vocal. D.. Vocal. D.. Secretario. D.. Suplente. D.. Suplente. D.. Realizado el acto de defensa y lectura de la Tesis el día de en la E.T.S. de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de la U.P.M.. de 20. CALIFICACIÓN:. EL PRESIDENTE. LOS VOCALES. EL SECRETARIO.
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(7) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. AGRADECIMIENTOS Me gustaría agradecer a muchas personas la ayuda que me han prestado, principalmente, porque aparte de lo mucho que han aportado a la presente tesis, el hecho de que me la ofrecieran sin esperar nada, ha sido lo mejor del camino recorrido. En especial, a mi director Miguel Ángel Toledo Municio, porque ha sabido exigirme, pero también animarme en algún momento difícil. Y a Jesús Granell Vicent, porque me ha dado las alas necesarias para poder dedicarme estos años a la tesis y por todos sus comentarios a mis dudas. Y a Luis Medina Martínez, por su claridad de ideas para desarrollar el programa numérico. Y a Raúl, porque sencillamente no hubiera podido hacerlo sin su ayuda. Y, espero no olvidarme de nadie, a: Clemente Saenz Ridruejo, Ricardo Torcal, Ángel García Yagüe, Luis Méndez, Adela Salvador, Eduardo Quiles, Juan Francisco Coloma, Gaspar Zaragoza, José Estaire, Clemente Arias, Cristina de Santiago, Diego Manzanal, Fernando Pardo de Santayana, José Luis Miranda, Ricardo Díaz, Valentín Bella, Hernán Patiño, Rafael Jiménez, Daniel Olmo, René Gómez, Juan Carlos de Cea, Juan Paricio, Enrique Lancha, Galo Sánchez, Fernando Román, José María Herrera, Mario García González, Conchita García Viñuela, Elisa Higueras, José María Calaforra, D.H. Kim, Anthony Noel James. Jesús Granell, Ingenieros Consultores, CEDEX, Unidad Docente de Presas y laboratorios de Geología y Geotecnia de la ETSICCP de Madrid e Ygaresa. Muchísimas gracias. Finalmente, me gustaría agradecer a mis padres, entre tantas cosas, la oportunidad de estudiar..
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(9) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. “Lo blando es más fuerte que lo duro; el agua es más fuerte que la roca, el amor es más fuerte que la violencia” Hermann Hesse.
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(11) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. RESUMEN. Existen numerosas presas en todo el mundo construidas sobre yesos; algunas han tenido problemas por disolución del cimiento y otras se han comportado bien tras años de explotación.. En España, el emplazamiento de presas cada vez es más restringido y las características geológicas y geotécnicas del cimiento no siempre tan favorables como se desearía. De hecho, teniendo en cuenta que los terrenos donde el yeso aflora constituyen del orden del 7% del territorio nacional, no es tan inusual que se estudien cerradas ubicadas en terrenos yesíferos.. A veces, es factible encontrar en las proximidades alguna cerrada que los evite, pero otras veces no. En estos casos, lo primordial en fase de Proyecto es diseñar una sección tipo de presa que limite, dentro de valores aceptables, el proceso de disolución del cimiento.. El objetivo principal de la presente tesis doctoral es analizar el proceso de disolución en un cimiento yesífero de una presa, como consecuencia del aumento de carga que origina el agua del embalse.. Para la comprensión de este proceso, se ha estudiado inicialmente la situación y la forma de presentarse los yesos en la naturaleza. También se ha elaborado una recopilación de datos de presas ubicadas en cimientos yesíferos. Posteriormente, se ha analizado el proceso químico de disolución del yeso y los modelos de disolución de materiales solubles del terreno.. Estos puntos, que constituyen el Estado del Arte, han sentado las bases para el desarrollo de una modelización numérica del avance del frente de disolución (o zona donde se está produciendo la disolución) cuando el flujo es intergranular, el régimen laminar y por lo tanto, el modelo de disolución es de partículas.. RESUMEN.
(12) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. La modelización numérica del proceso se ha materializado en un programa, desarrollado en Visual Basic para su utilización en la presente tesis, y que se ha denominado DISOLUCIÓN2D.. Este programa realiza iteraciones en el tiempo a partir de los resultados suministrados en cada paso de cálculo por el programa comercial FastSEEP (de BOSS International, que calcula la red de filtración). A partir de los resultados del campo de velocidades de cada iteración, DISOLUCIÓN2D calcula el avance del frente de disolución para el intervalo de tiempo correspondiente a esa iteración y prepara los datos de entrada para el siguiente cálculo de FastSEEP. Este proceso permite calcular la evolución en el tiempo del frente de disolución en su recorrido a través del cimiento.. Dado que la disolución de las partículas de yeso presente en el cimiento produce un aumento de la porosidad del terreno, también se produce un incremento de la permeabilidad en la capa yesífera y del caudal filtrado por el cimiento. Este incremento de la permeabilidad que se produce en la capa yesífera debido a la disolución se ha incorporado al modelo matemático. De este modo, la velocidad de avance del frente de disolución no es constante, y el proceso se va acelerando con el tiempo.. No se ha tenido en cuenta el efecto mecánico de la disolución, por lo que el modelo desarrollado es aplicable únicamente cuando el porcentaje de yeso es moderado, resultando difícil establecer un límite exacto.. Posteriormente, se han realizado ensayos en el permeámetro de carga constante (en los laboratorios de Geotecnia de la ETSICCP de Madrid y del Cedex), que han permitido verificar la validez de los cálculos realizados mediante DISOLUCIÓN2D, a partir de la comprobación de los resultados de los modelos numéricos de los ensayos con los datos experimentales. El material utilizado para los ensayos ha sido el bicarbonato sódico, que permite disminuir el tiempo de duración de los ensayos respecto al yeso y controlar el proceso de disolución, gracias a que el análisis del peso de los volúmenes filtrados permite comprobar la masa que se va disolviendo.. RESUMEN.
(13) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. Finalmente, se ha realizado una campaña de experimentación numérica con el programa DISOLUCIÓN2D, que ha consistido en el cálculo de 140 casos distintos (combinaciones de tres parámetros: espesor de capa yesífera, porcentaje de yeso en la capa y sección tipo de la presa).. El análisis de los resultados de estos cálculos ha permitido estudiar la influencia de los parámetros que intervienen en el proceso y la comparación de secciones tipo para 15 tipos de cimiento (combinaciones de tres espesores de capa yesífera con cinco porcentajes de yeso en la capa).. Por lo tanto, y a pesar de lo complejo que es el proceso de disolución de un cimiento yesífero, se ha desarrollado una metodología para, en función de los parámetros que influyen en el proceso, elegir el óptimo diseño de la sección tipo de la presa, según cada caso particular.. Hay que destacar que muchos aspectos del análisis realizado son aplicables para otros cimientos solubles, si bien los criterios fijados para el diseño lo son para presas sobre cimientos yesíferos.. RESUMEN.
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(15) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. ABSTRACT. There are several dams founded on gypsum in the world; some of them have had problems because of the foundation dissolving and others have performed well after years of exploitation.. In Spain, the dam locations are increasingly restricted, and the geological and geotechnical foundation characteristics can´t be always favorable as we desired. In fact, taking into account that the land where the gypsum makes outcrops consists of around 7% of the country, it’s not unusual to consider damsites placed in gypsum soils.. Sometimes, it is feasible to find a nearby damsite to avoid them but sometimes not. In these cases, the primary phase of the project is to design a dam type section that limits, within acceptable values, the foundation dissolution.. The principal aim of this thesis is to study the process of gypsum dissolution in the foundation of a dam, as a result of the increased hydraulic charge caused by the water in the reservoir.. For the purpose of understanding this process, it has been studied initially that the situation and the way shows the gypsum in the nature. A data collection dam foundation located in gypsiferous foundations has also worked on. Subsequently, we analyzed the chemical process in gypsum dissolution and the dissolution models of soluble materials in the soil.. These points, that constitute the State of the Art, have laid the bases for the development of a numerical modeling of the solution front advancement (or the area where the dissolution is occurring) when the flow is intergranular, the regime is laminar and therefore, the model is particles dissolution.. ABSTRACT.
(16) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. The numerical modeling process has been materialized in a program developed in Visual Basic in order to be used in this thesis, and it´s called as DISOLUCIÓN2D.. This program performs iterations in time from the results provided in each calculation step by the commercial program FastSEEP (BOSS International). From the results of the velocity field of each iteration, DISOLUCIÓN2D calculates the solution front advancement for the time interval for that iteration and it prepares the input data for the following calculation of FastSEEP. This process allows us to calculate in time the evolution of the solution front on its path through the foundation.. Since the dissolution of gypsum particles that is present in the foundation causes an increase in the porosity of the soil, there is also an increased permeability in the gypsum layer and the seepage discharge by the foundation. This increasing permeability that takes place in the layer due to the gypsum dissolution has been incorporated into the mathematical model. So, the solution front velocity is not constant, and the process is accelerating as time goes by.. The mechanical effects on the dissolution were not taken into account, so that the developed model is applicable only when the gypsum percentage is moderate, making it difficult to establish an exact limit.. Subsequently, some tests have been carried out in the constant head permeameter (in the Geotechnics laboratories of Madrid: ETSICCP and Cedex), where we verified the validity of the calculations realized by DISOLUCIÓN2D, after verification of the numerical models results with experimental dates.. The material used for the tests was sodium bicarbonate, that decreases test duration time and control the dissolution process, due to the analysis of the weight of the filtered volumes; it makes us check the mass to be dissolving.. ABSTRACT.
(17) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. Finally, we have performed a campaign of numerical experimentation with DISOLUCIÓN2D program, that consists of 140 cases (combinations of three parameters: thickness of gypsum layer, percentage of gypsum in the layer and type of dam).. The analysis of the results of these calculations allowed us to study the influence of the parameters involved in the process and the comparison of typologies for 15 particular cases (combinations of three thicknesses of layer and five gypsum percentage).. Therefore, despite the complexity of the dissolution process in a gypsiferous foundation, a methodology has been developed to choose the optimal design of the dam type section, in each case and as a function of the parameters that make an influence on the process.. It should be noted that many aspects of the analysis are applicable to other soluble foundations, although the criteria for the design are for dams on gypsum foundation.. ABSTRACT.
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(19) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. Ind. 1. ÍNDICE CAPÍTULO 0. INTRODUCCIÓN ..................................................................................... 1 CAPÍTULO 1. OBJETIVOS............................................................................................. 2 CAPÍTULO 2. ESTADO DEL ARTE ................................................................................ 3 2.1.PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS DEL YESO .........................................................................3. 2.2.SITUACIÓN Y EXTENSIÓN DE LOS TERRENOS YESÍFEROS .......................................................5. 2.2.1. En España ................................................................................................................................5 2.2.2. En el Resto del Mundo .............................................................................................................8 2.2.3. Productores de yeso...............................................................................................................11 2.3.CARACTERIZACIÓN DE LA PRESENCIA DE YESOS EN LA NATURALEZA ..............................11. 2.3.1. CARACTERIZACIÓN EN CUANTO A SU EDAD DE FORMACIÓN......................................12 2.3.2. CARACTERIZACIÓN EN CUANTO A SU TECTÓNICA ........................................................16 2.3.3. CARACTERIZACIÓN EN CUANTO A SU ORIGEN...............................................................17 2.3.4. CARACTERIZACIÓN EN CUANTO A SU FORMA DE PRESENTARSE EN LA NATURALEZA .......................................................................................................................18 2.3.5. EL YESO EN LA NATURALEZA: RESUMEN ........................................................................20 2.4.ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN CIMENTACIONES DE PRESAS .............................................22. 2.4.1. FLUJO EN MEDIOS POROSOS............................................................................................22 2.4.1.1. Ley de Darcy .................................................................................................................. 22 2.4.1.2. Régimen laminar ............................................................................................................ 23 2.4.2. PERMEABILIDAD Y POROSIDAD ........................................................................................24 ÍNDICE.
(20) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. Ind. 2. 2.4.2.1. Permeabilidad ................................................................................................................ 24 2.4.2.2. Porosidad ....................................................................................................................... 27 2.4.2.3. Relación permeabilidad – porosidad.............................................................................. 29 2.4.3. GRADIENTE GEOTÉRMICO DEL TERRENO ......................................................................34 2.5.DISOLUCIÓN DEL YESO..................................................................................................................35. 2.5.1. CONCEPTOS BÁSICOS DE LAS DISOLUCIONES..............................................................35 2.5.2. PROCESO QUÍMICO.............................................................................................................36 2.5.3. PROCESO FÍSICO.................................................................................................................37 2.5.3.1. Ecuación de Nernst ........................................................................................................ 37 2.5.3.2. Factores que influyen en la constante de disolución Kd................................................. 42 2.6.MODELOS DE DISOLUCIÓN DEL CIMIENTO.................................................................................45. 2.6.1. DISOLUCIÓN DE FISURAS...................................................................................................47 2.6.2. DISOLUCIÓN DE PARTÍCULAS............................................................................................48 2.6.3. FLUJO EN UN ACUÍFERO ADYACENTE A UNA CAPA SOLUBLE ......................................55 2.7.PRESAS UBICADAS EN CIMIENTOS YESÍFEROS ........................................................................57. CAPÍTULO 3. METODOLOGÍA .................................................................................... 62 3.1.MODELIZACIÓN NUMÉRICA DEL PROCESO DE DISOLUCIÓN ..................................................62. 3.1.1. MODELIZACIÓN NUMÉRICA DEL PROCESO DE FILTRACIÓN.........................................62 3.1.2. MODELIZACIÓN NUMÉRICA DEL PROCESO DE DISOLUCIÓN MEDIANTE EL CÓDIGO DISOLUCIÓN2D....................................................................................................63 3.1.2.1. Hipótesis básicas ........................................................................................................... 63 3.1.2.2. Proceso de cálculo ......................................................................................................... 71. ÍNDICE.
(21) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. Ind. 3. 3.1.2.3. Comprobaciones finales a realizar................................................................................. 77 3.1.3. TIPOS DE CIMIENTOS A LOS QUE PUEDE APLICARSE EL MODELO DISOLUCIÓN2D.79 3.2.ENSAYOS DE VALIDACIÓN .............................................................................................................79. 3.2.1. Finalidad de los ensayos ........................................................................................................79 3.2.2. Esquema del permeámetro ....................................................................................................80 3.2.3. Materiales de los ensayos ......................................................................................................83 3.2.4. Procedimiento de montaje de la muestra...............................................................................86 3.2.5. Criterios de validez de los ensayos........................................................................................87 3.2.6. Cálculo mediante DISOLUCIÓN2D de los modelos correspondientes a los ensayos ..........88 3.3.CAMPAÑA DE EXPERIMENTACIÓN NUMÉRICA ...........................................................................89. 3.3.1. PARÁMETROS ANALIZADOS ...............................................................................................89 3.3.1.1. PARÁMETROS RELATIVOS AL TERRENO.................................................................. 89 3.3.1.1.1.. Permeabilidad inicial de la capa con yeso (K0) ............................................. 89. 3.3.1.1.2.. Permeabilidad tras la disolución de la capa con yeso (Ktd) ........................... 89. 3.3.1.1.3.. Porcentaje de material soluble (Ø) ................................................................ 90. 3.3.1.1.4.. Espesor de la capa yesífera (E) .................................................................... 90. 3.3.1.2. PARÁMETROS RELATIVOS AL MODELO.................................................................... 90 3.3.1.2.1.. Mallado de la cimentación ............................................................................. 90. 3.3.1.2.2.. Número de iteraciones................................................................................... 90. 3.3.1.3. PARÁMETROS RELATIVOS A LA PRESA.................................................................... 91 3.3.1.3.1.. Altura de la presa........................................................................................... 91. 3.3.1.3.2.. Sección tipo de la presa ................................................................................ 92. 3.3.1.4. PARÁMETROS RELACIONADOS CON Kd ................................................................... 93. ÍNDICE.
(22) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. Ind. 4. 3.3.1.5. RESUMEN DE LOS PARÁMETROS ANALIZADOS ..................................................... 93 3.3.1.6. DEFINICIÓN DE PARÁMETROS SIGNIFICATIVOS..................................................... 94 3.3.2. ESTUDIO ADIMENSIONAL DE PARÁMETROS....................................................................97 3.3.3. CASOS CALCULADOS..........................................................................................................98 3.4.OBTENCIÓN DE CRITERIOS DE DISEÑO DE SITUACIÓN Y TAMAÑO DE LOS ELEMENTOS DE IMPERMEABILIZACIÓN DEL CIMIENTO.......................................................................................106. CAPÍTULO 4. RESULTADOS ..................................................................................... 108 4.1.RESULTADOS DE LOS ENSAYOS DE VALIDACIÓN DEL MODELO NUMÉRICO .....................108. 4.1.1. Ensayos con cloruro sódico .................................................................................................108 4.1.2. Ensayos con bicarbonato sódico..........................................................................................109 4.1.2.1. Resultados de caudales filtrados a lo largo del tiempo en los ensayos con bicarbonato sódico.................................................................................................................... 109 4.1.2.2. Resultados del cálculo de los modelos correspondientes a los ensayos mediante el modelo numérico DISOLUCIÓN2D .......................................................................................... 109 4.1.2.3. Resultados de masa disuelta en los ensayos con bicarbonato ................................... 113 4.1.3. Ensayo con yeso ..................................................................................................................117 4.1.4. Hojas de cálculo y gráficos de los ensayos de validación ...................................................118 4.2.RESULTADOS DE LA CAMPAÑA DE EXPERIMENTACIÓN NUMÉRICA ....................................123. 4.2.1. RESULTADOS DE LOS CÁLCULOS DE LOS MODELOS GEOMÉTRICOS DE PRESA Y CIMIENTO ...........................................................................................................................123 4.2.2. RESULTADOS RELATIVOS AL FACTOR DE ACELERACIÓN ...........................................130 4.2.3. RESULTADOS DE COMPARACIÓN DE SECCIONES TIPO DE PRESA...........................133. CAPÍTULO 5. DISCUSIÓN ......................................................................................... 137. ÍNDICE.
(23) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. Ind. 5. 5.1.METODOLOGÍA DE CÁLCULO DEL PROCESO DE DISOLUCIÓN.............................................137. 5.2.ENSAYOS DE VALIDACIÓN ...........................................................................................................137. 5.2.1. Análisis del efecto del cambio de agua en los ensayos con bicarbonato sódico.................137 5.2.2. Comparación de los resultados medidos en los ensayos y los resultados calculados mediante DISOLUCIÓN2D..................................................................................................140 5.2.3. Otros efectos que se producen en los ensayos ...................................................................143 5.3.CAMPAÑA DE EXPERIMENTACIÓN NUMÉRICA .........................................................................147. 5.3.1. Análisis del aumento del caudal filtrado respecto al caudal inicial. Caso especial H0,2H ..147 5.3.2. Factor de aceleración ...........................................................................................................149 5.3.3. Procedimiento de cálculo .....................................................................................................152 5.3.4. Influencia de los parámetros ................................................................................................157 5.3.4.1. Influencia del porcentaje de yeso............................................................................. 157 5.3.4.2. Influencia del espesor de la capa yesífera .............................................................. 165 5.3.4.3. Influencia de la relación de permeabilidades entre la capa yesífera y la capa no yesífera (casos 1H y 0,2H)...................................................................................................... 166 5.3.4.4. Influencia de la sección tipo ..................................................................................... 167 5.3.5. Criterios de diseño................................................................................................................172. CAPÍTULO 6. CONCLUSIONES ................................................................................ 179 6.1.RESPECTO A LA METODOLOGÍA DE CÁLCULO DE LA EVOLUCIÓN DEL PROCESO DE DISOLUCIÓN .........................................................................................................................................179. 6.2.RESPECTO A LOS ENSAYOS DE VALIDACIÓN ..........................................................................179. 6.3.RESPECTO A LA CAMPAÑA DE EXPERIMENTACIÓN NUMÉRICA ...........................................181. ÍNDICE.
(24) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. Ind. 6. CAPÍTULO 7. RESUMEN DE APORTACIONES PROPIAS ....................................... 186 CAPÍTULO 8. FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN ........................................... 189 BIBLIOGRAFÍA APÉNDICES APÉNDICE Nº 1: RELACIÓN DE PRESAS UBICADAS EN CIMIENTOS YESÍFEROS APÉNDICE Nº 2: PROGRAMA DISOLUCIÓN2D APÉNDICE Nº 3: HOJAS DE CÁLCULO Y GRÁFICOS DE LOS ENSAYOS DE VALIDACIÓN APÉNDICE Nº 4: GRÁFICOS DE LA CAMPAÑA DE EXPERIMENTACIÓN NUMÉRICA. ÍNDICE.
(25) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. Ind. 7. ÍNDICE DE TABLAS TABLA Nº 1: Características de la roca de yeso......................................................................................4 TABLA Nº 2: Productores de yeso (U.S. GEOLOGICAL SURVEY, Mineral Commodity Summaries) .. 11 TABLA Nº 3: Velocidad límite de régimen laminar para distintas temperaturas y diámetros.................24 TABLA Nº 4: Valores de la permeabilidad en cm/s, para distintos suelos (Angelone, S; Garibay, M.T.; Casaux M.C., 2006).....................................................................................................26 TABLA Nº 5: Ejemplos de porosidad e índice de poros de distintos materiales (McKay, L.D., 2002)...28 TABLA Nº 6: Rango de porosidad para distintas rocas (Custodio, E.; Llamas, M.R., 1976). ................29 TABLA Nº 7: Clasificación de rocas para uso geotécnico (González de Vallejo, L.I.; Ferrer, M.; Ortuño, L.; Oteo, C., 2002). ......................................................................................................31 TABLA Nº 8: Rangos de la porosidad y la permeabilidad para suelos y rocas (original de Gregory, K.J.; Walling, D.E., 1973; adaptación de González del Tánago, M., 2010).........................32 TABLA Nº 9: Datos de temperatura del agua subterránea (Mezquita, B.; Escuer, J., 2009).................35 TABLA Nº 10: Variación de la constante de disolución del yeso con la temperatura (para una velocidad de flujo de 0,25 m/s). (James, A.N.; Lupton, A.R.R., 1978). .......................................43 TABLA Nº 11: Variación de la Constante de disolución del yeso para distintas concentraciones de cloruro sódico (velocidad de filtración: 0,15 m/s). (James, A.N.; Lupton, A.R.R., 1978). .....................................................................................................................................45 TABLA Nº 12: Variación de la constante de disolución para diferentes rocas yesíferas (para una velocidad de flujo de 0,25 m/s y temperatura de 23 ºC), (James, A.N.; Lupton, A.R.R., 1978)............................................................................................................................45 TABLA Nº 13: Velocidad límite de filtración para un avance del frente de disolución de 0,1 m/año, con partículas de diámetro 50 mm, en agua pura (James, A.N.; Kirkpatrick, I.M., 1980)..54 TABLA Nº 14: Presas españolas referenciadas en el Apéndice Nº 1. ...................................................57. ÍNDICE.
(26) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. Ind. 8. TABLA Nº 15: Presas fuera de España referenciadas en el Apéndice Nº 1. .........................................58 TABLA Nº 16: Permeabilidad tras la disolución a partir de la permeabilidad inicial, de la porosidad inicial y del porcentaje de material soluble..................................................................69 TABLA Nº 17: Relación “permeabilidad tras la disolución / permeabilidad inicial” en función del porcentaje de material soluble y de la porosidad inicial. .............................................70 TABLA Nº 18: Obtención de la longitud aproximada del frente de disolución tras el cálculo. ...............78 TABLA Nº 19: Tabla resumen de los parámetros más importantes de los ensayos de validación........88 TABLA Nº 20: Datos de permeabilidades de los materiales para las distintas secciones tipo ..............92 TABLA Nº 21: Tabla resumen de los parámetros analizados en los cálculos de las presas. ................94 TABLA Nº 22: Parámetros de los modelos geométricos (combinación de distintas secciones tipo de presas y espesores de capa yesífera). .....................................................................104 TABLA Nº 23: Casos calculados (combinaciones de distintas secciones tipo de presa, espesores de capa yesífera y porcentajes de yeso)........................................................................105 TABLA Nº 24: Caudales máximos filtrados por la cimentación (adaptado de De Cea Azañedo, J.C., 2002)..........................................................................................................................106 TABLA Nº 25: Resumen de los datos y resultados de los ensayos de validación...............................122 TABLA Nº 26: Longitud media y gradiente inicial medio para las distintas secciones tipo de presas y espesores de capa yesífera. .....................................................................................152. ÍNDICE.
(27) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. Ind. 9. ÍNDICE DE FOTOS FOTO Nº 1: Diversas muestras de yeso (Servicio Geológico de Obras Públicas)................................22 FOTO Nº 2: Permeámetro de carga constante del laboratorio de Geotecnia del CEDEX. ...................80 FOTO Nº 3: Llaves de entrada al permeámetro del Laboratorio de Geotecnia del CEDEX. ................82 FOTO Nº 4: Materiales utilizados en los ensayos..................................................................................84 FOTO Nº 5: Avance no uniforme del frente de disolución en el ensayo..............................................145 FOTO Nº 6: Efecto de compactación en ensayo con porcentaje de bicarbonato de 29%. .................146. ÍNDICE.
(28) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. Ind. 10. ÍNDICE DE FIGURAS FIGURA Nº 1. : Mapa de España con la ubicación de terrenos yesíferos (Macau, F.; Riba, O., 1962). .......................................................................................................................................6. FIGURA Nº 2. : Leyenda de la FIGURA Nº 1........................................................................................7. FIGURA Nº 3. : Mapa mundial con la ubicación de evaporitas (Kozary, M.T.; Dunlap, J.C.; Humphrey, W.E., 1968). .................................................................................................................10. FIGURA Nº 4. : División del tiempo geológico (Amorós, J.L.; García, F.J.; Ramírez, E.; Simancas, R., 1979)............................................................................................................................12. FIGURA Nº 5. : Esquema de la ley de Darcy (Jiménez Salas, J.A.; De Justo Alpañes, J.L.; Serrano González, A., 1976). ....................................................................................................23. FIGURA Nº 6. : Relación entre textura y porosidad (Meinzer, O.E., 1923). .......................................27. FIGURA Nº 7. : Esquemas de distribución de partículas y porosidad (McKay, L.D., 2002). ..............28. FIGURA Nº 8. : Modelo de fisuras (original de Bear, J., 1972; adaptación de Donado, L.D., 2004)..32. FIGURA Nº 9. : Modelo de hueco de paloma (Pape, H.; Clauser, C.; Iffland, J., 1999). ....................33. FIGURA Nº 10 : Disolución de un sólido controlado por difusión (James, A.N.; Kirkpatrick, I.M., 1980). .....................................................................................................................................38 FIGURA Nº 11 : Aparato para circulación de agua a través de rocas de sulfato cálcico (James, A.N.; Lupton, A.R.R., 1978). .................................................................................................39 FIGURA Nº 12 : Variación de la concentración, para primer y segundo orden (James, A.N., 1992). .40 FIGURA Nº 13 : Comparación de la curva experimental de disolución del yeso con la teórica (James, A.N.; Lupton, A.R.R., 1978). ........................................................................................41 FIGURA Nº 14 : Variación de Ln(Cs/Cs-C) en función del tiempo, para ecuación de primer orden (James, A.N.; Lupton, A.R.R., 1978). ..........................................................................41. ÍNDICE.
(29) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. Ind. 11. FIGURA Nº 15 : Comparación de la cinética de disolución de primer orden para el yeso, con círculos (James, A.N.; Lupton, A.R.R., 1978). ..........................................................................42 FIGURA Nº 16 : Constante de disolución del yeso en función de la velocidad del flujo (a 23 ºC). (James, A.N.; Lupton, A.R.R., 1978). ..........................................................................43 FIGURA Nº 17 : Extrapolación de la variación de la constante de disolución del yeso con la velocidad de flujo, para distintas temperaturas. ..........................................................................44 FIGURA Nº 18 : Influencia de 1% de NaCl en la Constante de disolución del yeso (a 23 ºC) (James, A.N.; Lupton, A.R.R., 1978). ........................................................................................44 FIGURA Nº 19 : Modos de presentación del sulfato cálcico (James, A.N.; Lupton, A.R.R., 1978). ....46 FIGURA Nº 20 : Modelo de disolución de fisuras (James, A.N.; Lupton, A.R.R., 1978). ....................47 FIGURA Nº 21 : Perfil de disolución del orificio realizado en yeso, de radio inicial 1,25 mm, tras 8 días (con v=0,002 m/s). (James, A.N.; Lupton, A.R.R., 1978). ...........................................48 FIGURA Nº 22 : Modelo de disolución de partículas (Adaptado de James, A.N., 1992).....................49 FIGURA Nº 23 : Esquema del frente de disolución al inicio del proceso. ...........................................50 FIGURA Nº 24 : Esquema del frente de disolución transcurrido un tiempo t. .....................................50 FIGURA Nº 25 : Forma de las partículas solubles (James, A.N.; Lupton, A.R.R., 1978) ....................51 FIGURA Nº 26 : Relación t/T con C/Cs para el yeso............................................................................53 FIGURA Nº 27 : Disolución de partículas de yeso en agua (para una velocidad de flujo de 4,3.10-6 m/s). (James, A.N.; Lupton, A.R.R., 1978). .................................................................54 FIGURA Nº 28 : Modelo de disolución en capas no confinadas (James, A.N., 1992).........................55 FIGURA Nº 29 : Modelo de flujo parcialmente confinado (James, A.N., 1992)...................................56 FIGURA Nº 30 : Modelo de disolución de una roca por difusión (James, A.N.; Lupton, A.R.R., 1985). .....................................................................................................................................57. ÍNDICE.
(30) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. Ind. 12. FIGURA Nº 31 : Gráfico de caudales filtrados en el tiempo en la presa de Caspe (Araoz SánchezAlbornoz, A., 1992). .....................................................................................................59 FIGURA Nº 32 : Sección tipo de la presa de Rogun (Tajikistan). (Nedriga, V.P.; Dem’yanova, É.A., 1986)............................................................................................................................59 FIGURA Nº 33 : Sección tipo del dique de Razzaza (Irán). (Toran, J., 1970). ....................................60 FIGURA Nº 34 : Sección tipo de la presa de Mosul (Irak). (Guzina, B.J.; Saric, M.; Petrovic, N., 1991). .....................................................................................................................................61 FIGURA Nº 35 : Relación u/v en función del porcentaje de yeso........................................................64 FIGURA Nº 36 : Relación v/u en función del porcentaje de yeso........................................................65 FIGURA Nº 37 : Modelo de FastSEEP de una presa homogénea de 50 m de altura y capa yesífera de 10 m de espesor (en verde, con 10% de porcentaje de yeso)...............................66 FIGURA Nº 38 : Velocidades de filtración bajo una presa homogénea de 50 m de altura y capa yesífera de 10 m de espesor (con 10% de porcentaje de yeso). (Cálculo mediante FastSEEP). ..................................................................................................................67 FIGURA Nº 39 : Relación “permeabilidad tras la disolución / permeabilidad inicial” en función del porcentaje de material soluble (para distintas porosidades iniciales). ........................70 FIGURA Nº 40 : Relación de “u/v” y de “Ktd/K0” con el porcentaje de yeso.........................................71 FIGURA Nº 41 : Modelo de elementos finitos de una presa homogénea de 50 m de altura y capa yesífera de espesor igual a la altura de la presa (con 20% de yeso). (Mediante FastSEEP). ..................................................................................................................72 FIGURA Nº 42 : Velocidades de filtración bajo una presa homogénea de 50 m de altura y capa yesífera de espesor igual a la altura de la presa (con 20% de yeso). (Cálculo mediante FastSEEP). ..................................................................................................72 FIGURA Nº 43 : Ejemplo de la entrada de datos del programa DISOLUCIÓN2D. .............................73 FIGURA Nº 44 : Ejemplo de vectores velocidad en los nudos. (Cálculo mediante FastSEEP). .........74 ÍNDICE.
(31) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. Ind. 13. FIGURA Nº 45 : Esquema del recinto que forma el frente de disolución tras la primera iteración (Cálculo mediante DISOLUCIÓN2D). .........................................................................75 FIGURA Nº 46 : Diagrama de flujo del programa DISOLUCIÓN2D. ...................................................76 FIGURA Nº 47 : Modelo de elementos finitos de una presa homogénea de 50 m de altura y capa yesífera de espesor H (con 20% de porcentaje de yeso), tras la disolución del cimiento. ......................................................................................................................77 FIGURA Nº 48 : Velocidades de filtración bajo una presa homogénea de 50 m de altura y capa yesífera de espesor H (con 20% de porcentaje de yeso), tras la disolución del cimiento. ......................................................................................................................78 FIGURA Nº 49 : Esquema de un permeámetro de carga constante (Jiménez Salas, J.A.; Justo Alpañes, J.L., 1971).....................................................................................................81 FIGURA Nº 50 : Curva granulométrica teórica de la arena de Hostun (Apéndice nº 3)......................83 FIGURA Nº 51 : Curvas granulométricas de los materiales utilizados en los ensayos. ......................84 FIGURA Nº 52 : Curvas de solubilidad de los materiales utilizados en los ensayos...........................85 FIGURA Nº 53 : Relación de u/v con el porcentaje de material soluble, para los materiales utilizados en los ensayos.............................................................................................................85 FIGURA Nº 54 : Mallado con tamaño H/10..........................................................................................91 FIGURA Nº 55 : Mallado con tamaño H/20..........................................................................................91 FIGURA Nº 56 : Ejemplo de Qab. .........................................................................................................94 FIGURA Nº 57 : Ejemplo de Qmáx. .......................................................................................................95 FIGURA Nº 58 : Ejemplo de Qdt. ..........................................................................................................95 FIGURA Nº 59 : Ejemplo de definición de parámetros temporales (tab, tmáx) y de caudal (Qab, Qmáx, Qdt) durante el proceso de disolución del yeso. ..........................................................96 FIGURA Nº 60 : Modelos geométricos de las presas homogéneas. .................................................100 ÍNDICE.
(32) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. Ind. 14. FIGURA Nº 61 : Modelos geométricos de presas zonificadas. .........................................................103 FIGURA Nº 62 : RELACIÓN t-Q EN ENSAYO CON PORCENTAJE DE BICARBONATO DE 9%...109 FIGURA Nº 63 : RELACIÓN t-Q EN ENSAYO CON PORCENTAJE DE BICARBONATO DE 13%. 110 FIGURA Nº 64 : RELACIÓN t-Q EN ENSAYO CON PORCENTAJE DE BICARBONATO DE 18%. 110 FIGURA Nº 65 : RELACIÓN t-Q EN ENSAYO CON PORCENTAJE DE BICARBONATO DE 22%. 111 FIGURA Nº 66 : RELACIÓN t-Q EN ENSAYO CON PORCENTAJE DE BICARBONATO DE 29%. 111 FIGURA Nº 67 : GRÁFICOS DEL AVANCE DEL FRENTE DE DISOLUCIÓN EN EL ENSAYO 11 (cálculo mediante DISOLUCIÓN2D). ........................................................................ 112 FIGURA Nº 68 : GRÁFICOS DE LAS VELOCIDADES DE FILTRACIÓN ANTES Y DESPUÉS DE LA DISOLUCIÓN, EN EL ENSAYO 11. .......................................................................... 113 FIGURA Nº 69 : RELACIÓN ENTRE EL PESO DE LA DISOLUCIÓN Y LA MASA DISUELTA O LA CONCENTRACIÓN (para el bicarbonato sódico). .................................................... 114 FIGURA Nº 70 : RELACIÓN V-M EN ENSAYO CON PORCENTAJE DE BICARBONATO DE 9%. 115 FIGURA Nº 71 : RELACIÓN V-M EN ENSAYO CON PORCENTAJE DE BICARBONATO DE 13%.115 FIGURA Nº 72 : RELACIÓN V-M EN ENSAYO CON PORCENTAJE DE BICARBONATO DE 18%.116 FIGURA Nº 73 : RELACIÓN V-M EN ENSAYO CON PORCENTAJE DE BICARBONATO DE 22%.116 FIGURA Nº 74 : RELACIÓN V-M EN ENSAYO CON PORCENTAJE DE BICARBONATO DE 29%.117 FIGURA Nº 75 : RELACIÓN t-Q EN ENSAYO CON PORCENTAJE DE YESO DE 6,4%. ............... 118 FIGURA Nº 76 : EJEMPLO DE HOJA DE CÁLCULO PARA LOS ENSAYOS (ENSAYO 6). ............121 FIGURA Nº 77 : Gráfico t – Q, para H3H...........................................................................................124 FIGURA Nº 78 : Gráfico t – Q ampliado, para H3H. ..........................................................................124 FIGURA Nº 79 : Gráfico t - Q/Q0, para H3H.......................................................................................125 ÍNDICE.
(33) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. Ind. 15. FIGURA Nº 80 : Gráfico t adimensional - Q/Q0, para H3H. ...............................................................125 FIGURA Nº 81 : Gráfico t adimensional - Q adimensional, para H3H. ..............................................126 FIGURA Nº 82 : Gráfico porcentaje de yeso - tab y tmáx , para H3H. ..................................................126 FIGURA Nº 83 : Gráfico porcentaje de yeso - tab adimensional, para H3H. ......................................127 FIGURA Nº 84 : Gráfico porcentaje de yeso - tmáx adimensional, para H3H. ....................................127 FIGURA Nº 85 : Gráfico porcentaje de yeso - Q, para H3H. .............................................................128 FIGURA Nº 86 : Gráfico porcentaje de yeso - Qab adimensional, para H3H. ....................................128 FIGURA Nº 87 : Gráfico porcentaje de yeso - Qmáx adimensional, para H3H....................................129 FIGURA Nº 88 : Gráfico porcentaje de yeso - Qab/Q0 y Qmáx/Q0, para H3H. .....................................129 FIGURA Nº 89 : Gráfico porcentaje de yeso - FA, para H3H. ...........................................................130 FIGURA Nº 90 : Avance del frente de disolución (8 iteraciones) para H3H con un porcentaje del 10%. Cálculo mediante DISOLUCIÓN2D...........................................................................131 FIGURA Nº 91 : Gráfico porcentaje de yeso - FA para un cilindro de suelo de porosidad inicial 0,2.132 FIGURA Nº 92 : Gráfico porcentaje de yeso - FA para los distintos modelos geométricos de presa y cimiento. ....................................................................................................................132 FIGURA Nº 93 : RELACIÓN tadim-Qadim CON PORCENTAJE DE YESO DE 20% Y E/H=3. .............133 FIGURA Nº 94 : RELACIÓN tadim-Q/Q0 CON PORCENTAJE DE YESO DE 20% Y E/H=3. .............134 FIGURA Nº 95 : RELACIÓN tadim-Qadim CON PORCENTAJE DE YESO DE 20% Y E/H=1. .............134 FIGURA Nº 96 : RELACIÓN tadim-Q/Q0 CON PORCENTAJE DE YESO DE 20% Y E/H=1. .............135 FIGURA Nº 97 : RELACIÓN tadim-Qadim CON PORCENTAJE DE YESO DE 20% Y E/H=0,2. ..........135 FIGURA Nº 98 : RELACIÓN tadim-Q/Q0 CON PORCENTAJE DE YESO DE 20% Y E/H=0,2. ..........136. ÍNDICE.
(34) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. Ind. 16. FIGURA Nº 99 : ENSAYO CON ARENA – EFECTO DEL CAMBIO DE AGUA.................................138 FIGURA Nº 100 : ENSAYO CON ARENA – EFECTO DEL CAMBIO DE AGUA (adimensional). .......139 FIGURA Nº 101 : COMPARACIÓN DE LA RELACIÓN t-Q ENTRE CÁLCULO Y ENSAYO, CON PORCENTAJE DE BICARBONATO DE 9%. ............................................................140 FIGURA Nº 102 : COMPARACIÓN DE LA RELACIÓN t-Q ENTRE CÁLCULO Y ENSAYO, CON PORCENTAJE DE BICARBONATO DE 13%. ..........................................................141 FIGURA Nº 103 : COMPARACIÓN DE LA RELACIÓN t-Q ENTRE CÁLCULO Y ENSAYO, CON PORCENTAJE DE BICARBONATO DE 18%. ..........................................................141 FIGURA Nº 104 : COMPARACIÓN DE LA RELACIÓN t-Q ENTRE CÁLCULO Y ENSAYO, CON PORCENTAJE DE BICARBONATO DE 22%. ..........................................................142 FIGURA Nº 105 : COMPARACIÓN DE LA RELACIÓN t-Q ENTRE CÁLCULO Y ENSAYO, CON PORCENTAJE DE BICARBONATO DE 29%. ..........................................................142 FIGURA Nº 106 : COMPARACIÓN DE LA RELACIÓN t-Q ENTRE CÁLCULO Y ENSAYO, CON PORCENTAJE DE YESO DE 6,4%. .........................................................................143 FIGURA Nº 107 : Gráfico porcentaje de yeso – Qmáx/Q0 para todos los modelos geométricos. .........148 FIGURA Nº 108 : Gráfico porcentaje de yeso – Q/Q0 para sección tipo de presa homogénea y E/H = 0,2..............................................................................................................................148 FIGURA Nº 109 : Gráfico porcentaje de yeso - FA para distintas secciones tipo de presa en el caso de capa yesífera de espesor 3H.....................................................................................149 FIGURA Nº 110 : Gráfico porcentaje de yeso - FA para distintas secciones tipo de presa en el caso de capa yesífera de espesor 1H.....................................................................................150 FIGURA Nº 111 : Gráfico porcentaje de yeso - FA para distintas secciones tipo de presa en el caso de capa yesífera de espesor 0,2H..................................................................................150 FIGURA Nº 112 : Red de filtración al inicio (Cálculo mediante FastSEEP). .......................................153. ÍNDICE.
(35) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. Ind. 17. FIGURA Nº 113 : Campo de velocidades al inicio (Cálculo mediante FastSEEP)..............................153 FIGURA Nº 114 : Gráfico t-Q tras el cálculo del caso de ejemplo mediante DISOLUCIÓN2D...........155 FIGURA Nº 115 : Gráfico t-Q/Q0 tras el cálculo del caso de ejemplo mediante DISOLUCIÓN2D......155 FIGURA Nº 116 : Gráficos t-Q para los 2 cálculos necesarios para obtener FA para el caso de ejemplo. ...................................................................................................................................156 FIGURA Nº 117 : Campo de velocidades tras la disolución (Cálculo mediante DISOLUCIÓN2D). ...157 FIGURA Nº 118 : Gráfico t – Q/Q0, para HPC1H.................................................................................158 FIGURA Nº 119 : Gráfico porcentaje de yeso - tab adimensional, para HPC1H. .................................159 FIGURA Nº 120 : Gráfico porcentaje de yeso - Qab adimensional, para Z1H......................................160 FIGURA Nº 121 : Gráfico porcentaje de yeso - Qab adimensional, para HPC3H1. .............................160 FIGURA Nº 122 : Gráfico porcentaje de yeso - Qab adimensional, para HPC1H. ...............................161 FIGURA Nº 123 : Modelo al inicio H3H................................................................................................162 FIGURA Nº 124 : Modelo tras la disolución H3H con 5% de yeso. .....................................................162 FIGURA Nº 125 : Modelo tras la disolución H3H con 10% de yeso. ...................................................163 FIGURA Nº 126 : Modelo tras la disolución H3H con 20% de yeso. ...................................................163 FIGURA Nº 127 : Modelo tras la disolución H3H con 30% de yeso. ...................................................164 FIGURA Nº 128 : Modelo tras la disolución H3H con 40% de yeso. ...................................................164 FIGURA Nº 129 : Gráfico t-Q/Q0 para una presa homogénea sin pantalla y E/H = 3. ........................165 FIGURA Nº 130 : Gráfico t-Q/Q0 para una presa homogénea sin pantalla y E/H = 0,2. .....................166 FIGURA Nº 131 : RELACIÓN t-Q EN MODELO HPC1H CON PORCENTAJE DE YESO DE 20%, SEGÚN LA RELACIÓN DE PERMEABILIDADES ENTRE LAS CAPAS DE CIMIENTO. ................................................................................................................167 ÍNDICE.
(36) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. Ind. 18. FIGURA Nº 132 : RELACIÓN tadim-Q/Q0 CON PORCENTAJE DE YESO DE 20% Y E/H=3. .............168 FIGURA Nº 133 : RELACIÓN tadim-Q/Q0 CON PORCENTAJE DE YESO DE 20% Y E/H=1. .............168 FIGURA Nº 134 : RELACIÓN tadim-Q/Q0 CON PORCENTAJE DE YESO DE 20% Y E/H=0,2. ..........169 FIGURA Nº 135 : RELACIÓN tadim-Q/Q0 CON PORCENTAJE DE YESO DE 20% Y E/H=1. .............170 FIGURA Nº 136 : RELACIÓN tadim-Q/Q0 CON PORCENTAJE DE YESO DE 10% Y E/H=3. .............171 FIGURA Nº 137 : RELACIÓN tadim-Q/Q0 CON PORCENTAJE DE YESO DE 30% Y E/H=3. .............172 FIGURA Nº 138 : RELACIÓN tadim-Q/Q0 CON PORCENTAJE DE YESO DE 10% Y E/H=3. Criterio a), altura de presa de 30 m y permeabilidad inicial de 200 m/año.................................174 FIGURA Nº 139 : RELACIÓN tadim-Q/Q0 CON PORCENTAJE DE YESO DE 10% Y E/H=3. Criterio a), altura de presa de 80 m y permeabilidad inicial de 200 m/año.................................174 FIGURA Nº 140 : RELACIÓN tadim-Q/Q0 CON PORCENTAJE DE YESO DE 10% Y E/H=3. Criterio a), altura de presa de 30 m y permeabilidad inicial de 400 m/año.................................175 FIGURA Nº 141 : RELACIÓN tadim-Qadim CON PORCENTAJE DE YESO DE 10% Y E/H=3. Criterio b), altura de presa de 30 m y permeabilidad inicial de 200 m/año.................................176 FIGURA Nº 142 : RELACIÓN tadim-Qadim CON PORCENTAJE DE YESO DE 10% Y E/H=3. Criterio b), altura de presa de 80 m y permeabilidad inicial de 200 m/año.................................177 FIGURA Nº 143 : RELACIÓN tadim-Qadim CON PORCENTAJE DE YESO DE 10% Y E/H=3. Criterio b), altura de presa de 30 m, permeabilidad de 300 m/año.............................................177. ÍNDICE.
(37) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. Ind. 19. RELACIÓN DE SÍMBOLOS A: área expuesta a la disolución (L2) Ac: sección transversal del cilindro de suelo (L2) C: concentración del material soluble (M/L3) Cs: concentración de saturación del material soluble (M/L3) D50: abertura de tamiz que deja pasar el 50% del material (L) e: índice de poros E: espesor de la capa yesífera (L) Et: espesor del tapiz (L) FA: factor de aceleración FT: factor de tortuosidad h: potencial (L) H: altura de la presa (L) K: conductividad hidráulica o permeabilidad o coeficiente de permeabilidad (L/T) Kd: constante de disolución (L/T). Normalmente es K en la bibliografía consultada K0: permeabilidad inicial (L/T) Ktd: permeabilidad tras la disolución (L/T) Ki: es la permeabilidad intrínseca del terreno (L2) Lh: longitud horizontal del elemento impermeable (L) l0: diámetro inicial de las partículas (L) M: masa disuelta (M) n: porosidad n0: porosidad inicial ntd: porosidad tras la disolución P: profundidad de la pantalla (L) Q0: caudal inicial (L3/T) Qab: caudal de llegada aguas abajo, correspondiente a la llegada del frente de disolución al pie de aguas abajo del elemento impermeable de la presa (L3/T). ÍNDICE.
(38) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. Ind. 20. Qmáx: caudal de recinto completo, correspondiente a la formación de un recinto de disolución cerrado bajo la presa (L3/T) Qdt: caudal de disolución total, correspondiente a la disolución de todos los elementos solubles del cimiento (L3/T) Re: número de Reynolds S: superficie de los granos (L2) Tª: temperatura (ºC) T: tiempo característico (T) t: tiempo (T) t95: tiempo que tardan en disolverse el 95% de las partículas solubles (T) t99: tiempo que tardan en disolverse el 99% de las partículas solubles (T) tab: tiempo correspondiente a la llegada aguas abajo de la presa (T) tmáx: tiempo correspondiente a la formación de un recinto cerrado bajo la presa (T) tucte: tiempo correspondiente a una velocidad de avance del frente de disolución constante (T) u: velocidad de avance del frente de disolución (L/T) v: velocidad de filtración (L/T) Vg: volumen de granos (L3) w: apertura de la fisura (L). r : densidad (M/L3) : viscosidad (M/L/T) ı: densidad de partículas solubles (M/L3) ı0: masa de partículas solubles por unidad de volumen de suelo (M/L3) Ø: volumen de partículas solubles por unidad de volumen de suelo (porcentaje de material soluble en volumen) ȍ: número de partículas solubles por unidad de volumen de suelo. ÍNDICE.
(39) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. Ind. 21. Concretamente para los ENSAYOS: Am: área de la muestra (L2) h0: carga de agua impuesta a la muestra (L) Q0: valor del caudal inicial en el ensayo (L3/T) V: volumen de agua para saturar la muestra (L3) Mms: masa del material soluble de la capa 1 (M) M1: masa de la capa de arena con material soluble (M) M2: masa de la capa de arena (M) MT: masa total del material de la muestra (M) L1: longitud de la capa de arena con material soluble (L) L2: longitud de la capa de arena (L) LT: longitud total de la muestra (L) ı: densidad de las partículas del material soluble (M/L3) rpa: densidad de las partículas de arena (M/L3) Cs: concentración de saturación del material soluble (M/L3) v0: velocidad inicial de filtración (L/T) i0: gradiente hidráulico al inicio u0/v0: relación entre la velocidad inicial de avance del frente de disolución y la velocidad inicial de filtración u0: velocidad inicial de avance del frente de disolución (L/T) r1: densidad seca de la capa de arena con material soluble (M/L3) rp1: densidad media de las partículas de la capa de arena con material soluble (M/L3) e1: índice de poros de la capa de arena con material soluble n01: porosidad inicial de la capa de arena con material soluble ntd1: porosidad tras la disolución de la capa de arena con material soluble r2: densidad seca de la capa de arena (M/L3) rpa: densidad de las partículas de arena (M/L3) e2: índice de poros de la capa de arena n2: porosidad de la capa de arena K0 equiv: coeficiente de permeabilidad equivalente inicial de la muestra (L/T) Ktd equiv: coeficiente de permeabilidad equivalente tras la disolución de la muestra (L/T) ÍNDICE.
(40) Ind. 22. ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. K01: coeficiente de permeabilidad inicial de la capa de arena con material soluble (L/T) Ktd1: coeficiente de permeabilidad tras la disolución de la capa de arena con material soluble (L/T) K2: coeficiente de permeabilidad de la capa de arena (L/T) Qtd/Q0: relación entre el caudal tras la disolución y el caudal inicial ı0: masa de partículas solubles por unidad de volumen de suelo (M/L3) Ø: porcentaje de las partículas solubles por unidad de volumen de suelo Vagua nec: volumen necesario de agua para que se disuelva la cantidad de material soluble de la muestra (L3) tucte: tiempo que tardaría en producirse la disolución considerando que la velocidad de avance del frente es constante e igual a la inicial (T) tab: tiempo que tarda en producirse la disolución (T) FA: factor de aceleración: tucte/tab Re: nº de Reynolds para comprobar el régimen laminar l0: diámetro de las partículas de material soluble (L) Kd: constante de disolución del material soluble (L/T) t95: tiempo que tardan en disolverse el 95% de las partículas solubles (T) ut95: longitud del frente de disolución (L) NOMENCLATURA. DE. LOS. MODELOS. GEOMÉTRICOS. DE. PRESA. Y. CIMENTACIÓN. CALCULADOS EN LA CAMPAÑA DE EXPERIMENTACIÓN NUMÉRICA La nomenclatura de los 28 modelos geométricos calculados es la siguiente: la primera letra es la tipología genérica (H es presa homogénea, Z zonificada); si la segunda letra es T, tiene un tapiz (de longitud igual a la base del espaldón de aguas arriba) y si es TT el tapiz tiene una longitud mayor (sumada a la longitud del núcleo es igual a la longitud de la presa homogénea). Si contiene la letra P es que tiene pantalla (PR es pantalla aguas arriba y PC es pantalla centrada). El número que antecede a la H final indica la relación entre el espesor de la capa yesífera y la altura de la presa y el número que sucede a la H es la relación entre la profundidad de la pantalla y la altura de la presa (si no existe este número y tiene pantalla, la profundidad de la pantalla coincide con la de la capa yesífera).. ÍNDICE.
(41) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. CAPÍTULO 0.. Pág. 1. INTRODUCCIÓN. El emplazamiento de presas en España es cada vez más restringido y las características geológicas y geotécnicas del cimiento no siempre tan favorables como se desearía. Existen numerosas presas en todo el mundo construidas sobre yesos; algunas han tenido problemas por disolución del cimiento y otras se han comportado bien tras años de explotación. En algunas se han tomado medidas antes de su construcción, para limitar la disolución del cimiento y otras, se han proyectado de forma convencional. El aumento de la carga hidráulica que supone el llenado de un embalse, produce un incremento de la velocidad de filtración del agua en el cimiento, y también de la velocidad del proceso de disolución. A su vez, la disolución del yeso diseminado en el terreno, produce un aumento de la porosidad del cimiento, y, como consecuencia de lo anterior, un incremento de la permeabilidad de éste. Por este motivo, las filtraciones a través de la cimentación pueden aumentar de forma considerable en la vida útil de una presa, siendo necesario que el cálculo de la red de filtración incorpore esta variación de las características del terreno a lo largo del tiempo, debidas a la disolución del material soluble. En la presente tesis doctoral se ha analizado este proceso de disolución en el cimiento de una presa, para poder comparar secciones tipo de presa y también, se han fijado criterios de diseño de la sección tipo de la presa, según cada caso particular. En los casos de presas ubicadas en cimientos yesíferos, lo primordial en fase de Proyecto es diseñar una sección tipo de presa que limite, dentro de valores aceptables y en un periodo de tiempo determinado, el complejo proceso de disolución del cimiento.. 0. INTRODUCCIÓN.
(42) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. CAPÍTULO 1.. Pág. 2. OBJETIVOS. La finalidad de la presente tesis doctoral es analizar el proceso de disolución en el cimiento yesífero de una presa, como consecuencia del aumento de carga que origina el agua del embalse. Para ello, los objetivos se pueden resumir en: . Desarrollar un modelo numérico que permita calcular el avance a lo largo del tiempo de la disolución de un cimiento yesífero y su influencia en el progresivo aumento de la permeabilidad del mismo.. . Caracterizar y validar mediante ensayos el referido proceso de disolución y el aumento de la permeabilidad.. . Comparar los resultados de los cálculos realizados mediante el modelo numérico, para distintas secciones tipo de presa y para determinados tipos de cimiento. Gracias a esta comparación, se analizan los parámetros que son determinantes en el proceso de disolución del cimiento.. . Desarrollar criterios para la elección de la sección tipo y para el diseño de elementos que frenen el proceso de disolución del cimiento de presas, tales como tapices o pantallas de impermeabilización.. Hay que destacar que muchos aspectos del análisis realizado son válidos para otros cimientos solubles, si bien los criterios fijados para el diseño lo son para presas sobre cimientos yesíferos.. 1. OBJETIVOS DEL ESTUDIO.
(43) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. CAPÍTULO 2.. Pág. 3. ESTADO DEL ARTE. En este apartado se realiza la primera aproximación al problema planteado, para lo cual se resume todo lo relativo a las características del yeso, a su forma de presentarse en la naturaleza y a la filtración y disolución de cimientos yesíferos, existente en la bibliografía.. 2.1.. PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS DEL YESO. Yeso procede del nombre Griego "gyps" que significa "mineral calcinado". Selenitoso, lo que tiene yeso, es de etimología griega “de la luna”, en alusión a su brillo perlado (luz de luna), por lo que la llamaron la roca de la luna. El yeso es un mineral y es también una roca sedimentaria evaporita, es decir, se forma principalmente por precipitación química al evaporarse el agua de las lagunas interiores, que contiene sales disueltas. El yeso natural se denomina algez y es sulfato cálcico dihidratado (SO4 Ca 2H2O). Su composición es de 32,47% de CaO, 46,50% de SO3 y 20,93% de H2O. Las principales rocas evaporitas o salinas son la halita, la anhidrita y el yeso. El orden de precipitación de las sales depende de la temperatura y de los iones presentes. En un depósito de evaporitas pueden existir tres fases, por orden de formación: carbonatada, sulfatada y clorurada. Se presenta de formas muy diversas: masivamente, en lechos de escasa potencia interestratificados con arcillas, margas, calizas, etc., en pequeños cristales diseminados en masas de arcilla,... La textura es variable: fibrosa, terrosa, cristalizada, laminar, sacaroidea,... El color también es variado; puede ser blanco, rojo, negro, verde, amarillo claro, incoloro,... La estructura de la roca de yeso varía de macrocristalina a finamente granular (ésta es la más común y casi la única en el terciario del Ebro). Cuando es de grano muy fino recibe el nombre de alabastro, y entonces su dureza es mayor que 2. Cristaliza en el sistema monoclínico, en macla de punta de flecha o lanza. Cuando la exfoliación es laminar muy marcada, formando láminas transparentes, se trata de yeso laminar o selenita. La 2. ESTADO DEL ARTE.
(44) Pág. 4. ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. variedad yeso rojo está teñida de este color, por impurezas, y se presenta frecuentemente asociada al jacinto de Compostela y al aragonito. La escasez de fósiles en yesos es un hecho casi universal. Las principales características de la roca (Jiménez Salas, J.A.; Justo Alpañes, J.L., 1971, González de Vallejo, L.I.; Ferrer, M.; Ortuño, L.; Oteo, C., 2002 y López Marinas, J. M., 2000) son: Resistencia a la compresión (kg/cm2). Resistencia a la tracción (kg/cm2). Módulo de elasticidad (kg/cm2). Cohesión Porosidad Coeficiente (kg/cm2) (%) de Poisson. De 54.0000 a. Sana: 50-500. 100. 10-25. 5. 0,22-0,31. 350.000. Alterada: 15-50. Velocidad de la onda longitudinal (m/s). Solubilidad en agua a 25 ºC (g/l). 3.000-4.000. 2,5. Coeficiente Tamaño de permeabilidad grano de la matriz (mm) (cm/s) 10-5 - 10-7. Dureza (escala Mohs). Densidad (t/m3). 2. 2,2-2,3. 0,06-20. TABLA Nº 1: Características de la roca de yeso. El yeso se emplea en la construcción como yeso comercial o escayola, tras calcinarlo a altas temperaturas. De este modo pierde agua, pasando a sulfato cálcico hemihidratado, que posteriormente, en el proceso de fraguado, mezclándolo con agua, recupera. Según Gárate Rojas, I., 1994, los egipcios fueron los primeros en utilizar la escayola para unir bloques de la pirámide de Keops y cubrir su superficie con un estuco rojo; según se ha determinado recientemente, es del 2600 a.C. También se usa el polvo en crudo en la fabricación de cemento, para retardar el fraguado. El yeso natural pulverizado se usa para mejorar las tierras agrícolas (en porcentajes pequeños, del orden del 2%), pues su composición química, rica en azufre y calcio, fertiliza los suelos. Una de las aplicaciones más recientes es la eliminación de elementos contaminantes de los suelos, especialmente metales pesados.. 2. ESTADO DEL ARTE.
(45) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. 2.2.. Pág. 5. SITUACIÓN Y EXTENSIÓN DE LOS TERRENOS YESÍFEROS. En este apartado se resume la ubicación de los diversos terrenos yesíferos en España y en el mundo. 2.2.1.. En España. La superficie total de los terrenos yesíferos que afloran al exterior en la península y en las islas Baleares es 35.487 km2, que representa el 7,2%. Del total, 4.580 km2 corresponden al Keuper (yesos triásicos del secundario), 14.500 km2 a las formaciones del Paleógeno, 15.920 km2 a las del Neógeno, ambas del terciario y 487 km2 al cuaternario. Hay zonas en las que el yeso no aflora al exterior, como los páramos castellanos, pero que está inmediatamente debajo de una delgada capa de caliza que lo recubre, y el agua puede afectarle. Sin embargo, la España yesífera (superficie que engloba estos terrenos que no afloran) es de unos 290.520 km2, es decir, el 58,5%. Las provincias con mayor porcentaje de yeso son, en este orden: Almería, Zaragoza, Jaén, Guadalajara, Cádiz, Granada, Málaga, Cuenca, Logroño, Madrid y Navarra. Las provincias exentas de yeso son las de Galicia, Badajoz, León, Zamora, Salamanca, Ávila y Huelva. Se presenta en la FIGURA Nº 1 un mapa a escala 1/2.000.000 con la distribución (por edades y por tipos: masivo, interestratificado o diseminados) de los terrenos yesíferos en España, realizado por el Servicio Geológico de Obras Públicas en 1962, con motivo de la Celebración en España del “I Coloquio Internacional sobre las Obras Públicas en los terrenos yesíferos”. En Valencia, se ubica el túnel dels Sumidors (karst triásico de Vallada), que constituye la cavidad yesífera más profunda en el mundo. Los yacimientos más destacados en España (UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE MADRID, Museo de Mineralogía,. http://www.uam.es/cultura/museos/mineralogia/especifica/mineralesAZ/Yeso/yeso.html;. actualización de 29 de agosto de 2009) son: -. Almería: yesos de Sorbas (de los mayores yacimientos a cielo abierto del mundo) y canteras de Níjar.. -. Asturias: en Colunga.. -. Baleares: destacan Artá y Selva.. 2. ESTADO DEL ARTE.
(46) ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS. FIGURA Nº 1. Pág. 6. : Mapa de España con la ubicación de terrenos yesíferos (Macau, F.; Riba, O., 1962). [Cortesía del Laboratorio de Geología de la ETSICCP de Madrid].. 2. ESTADO DEL ARTE.
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