Presas. Presas. Presas 10/29/08. Presas Zonificadas Tubificación (piping) Presas Zonificadas Tubificación (piping)

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Presas

Presas

Tipos de presas

 Presa zonificada

 Presa de enrocados o grava con pantalla impermeable  Presa gravitacional de hormigón

 Presa en arco

Presas

Presa Zonificada

1 x filtros espaldón espaldón Núcleo impermeable 0.4*H H

Filtro: retiene las partículas finas, de otra forma se produciría tubificación 1 x

Presas Zonificadas

Tubificación (piping)

 Pipe = Tubo

 El núcleo es de suelos finos arcillosos.  El gradiente hidráulico es fuerte

 Aguas arriba está toda la presión del embalse  Aguas abajo casi no hay presión

Presas Zonificadas

Tubificación (piping)

El agua que filtra arrastra las partículas

finas las que pueden pasar a través de la

granulometría abierta del espaldón aguas

abajo

Sale la primera partícula fina y deja un

hueco

Sale la que sigue aguas arriba

Presas Zonificadas

Tubificación (piping)

El gradiente va aumentando

Se forma un tubo

Finalmente conexión directa, erosión y falla

total

Después de los rebalses, esta es la causa

más frecuente de fallas catastrófica de

presas

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Presas Zonificadas

Tubificación (piping)

 Se debe intercalar un “filtro” consistente en un material granular pero con granulometría que deja pasar el agua pero retiene las partículas  Los filtros son materiales granulares con

abundantes finos

 Granulometría precisa cumpliendo leyes de “filtro” para el material aguas arriba (material del núcleo)

Presas

Tubificación (piping)

 Los filtros son materiales caros. A menudo requieren proceso en planta de agregados  Su colocación muy cuidadosa para evitar

segregación

 A su vez los materiales del espaldón deben ser filtro de los del filtro

 Es frecuente que se requieran filtros dobles  Una capa que cumple leyes de los filtros respecto al

núcleo

 Otra capa que filtra a la anterior y que es filtrada por el espaldón

Presas Zonificadas

Tubificación (piping)

 Para la colocación de los filtros se deben usar elementos especiales. La colocación y selección de los materiales es cara

  el espesor del o los filtros es el necesario para poder colocarlo con equipos de movimiento de tierra

Presas

Secuencia de construcción

 Los impermeables no se pueden colocar en el

invierno

 En el verano se adelanta el núcleo a los espaldones. Se colocan los impermeables, los filtros y algo de espaldones para contenerlos.  En el invierno se trabaja sólo en los espaldones  Los espaldones son granulares (fluviales o

enrocados de una cantera). Se pueden compactar con lluvia y con cualquier humedad

Presas

Presa Zonificada

 Este tipo de presa se puede construir sobre cualquier tipo de fundación y con casi cualquier material en los espaldones

 Se requiere yacimiento (empréstito) con materiales impermeables

PRESA ZONIFICADA

Berma Estabilizadora

La pendiente de los espaldones (x) depende de la calidad del material del espaldón. Con buenos materiales x es ~ 2.2

Si el suelo para el espaldón es de mala calidad, taludes más tendidos x puede llegar a 4

Si la fundación es de muy baja resistencia se colocan bermas estabilizadoras

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Si está fundada sobre suelos permeables se

requiere una cortina impermeable

Se hace una pared moldeada

En este tipo de presas, la construcción de la

pared está en el camino crítico del programa

Cortina impermeable

Núcleo Impermeable

h

Pared impermeable de hormigón simple Espesor: 1 mt.

Altura (d): entre 30 y 100 mts.

Roca o estrato impermeable

d

Fluvial

PRESA ZONIFICADA

El núcleo formado por materiales

impermeables cohesivos con baja

resistencia

t = resistencia al corte

t= c + p*tang fi

Fi es bajo (la resistencia casi no aumenta

con la profundidad)

PRESA ZONIFICADA

 El espaldón aguas abajo recibe todo el empuje como carga horizontal

 Esto dimensiona el talud aguas abajo

 El talud aguas arriba sin recibir presión (por ser permeable toda la presión va al núcleo) debe resistir su peso propio. Cuña de deslizamiento  Su peor situación vaciado rápido, queda con el

peso saturado y sin la presión del agua.

Presa de Enrocados con Pantalla de

Hormigón CFRD

Presa de Enrocados con Pantalla de

Hormigón CFRD

CFRD = concrete face rockfill dam

Un solo espaldón y un pavimento

impermeable aguas arriba

El cuerpo de la presa material granular

permeable

El empuje del agua tiene una componente

vertical que, en este caso ayuda a la

resistencia

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Presas

Presa de Enrocados con Pantalla Impermeable

1 ~ 1.4 Gravas o rocas (drenante) Pantalla de hormigón Plinto Roca

Presas

Detalle PLINTO

Anclajes

Perforación Cortina Inspección Pantalla

Water Stop

Roca

Presa de Enrocados con Pantalla de

Hormigón CFRD

Presa de Enrocados con Pantalla de

Hormigón CFRD

 Los materiales granulares tienen tg fi elevado. Del orden de 1 (Fi del orden de 45º)

 Esto permite taludes empinados. El más empinado que se pueda construir.

 Cuando enrocados 1,3/1 horiz/vert  Cuando gravas 1,4/1 horiz/vert

 Son materiales permeables, presión de poros cero incluso durante un sismo

Presa de Enrocados con Pantalla de

Hormigón CFRD

La pantalla de hormigón está flotando sobre

el enrocado

Para unirla en la roca se construye el

“plinto”. Es una losa de concreto sobre la

roca.

Presa de Enrocados con Pantalla de

Hormigón CFRD

El plinto tiene por objetivo:

 Alojar el “water stop” = lamina de estanqueidad

 Servir de respaldo a las inyecciones de la roca

La pantalla de hormigón es impermeable, la

roca no

La roca se inyecta para impermeabilizarla

hasta una profundidad del orden de un

tercio de la columna de agua en cada punto

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Presa de Enrocados con Pantalla de

Hormigón CFRD

Si está fundada sobre suelos permeables se

requiere una cortina impermeable

Se hace una pared moldeada

En este tipo de presas, la construcción de la

pared está en el camino crítico del programa

Presa de Enrocados con Pantalla de

Hormigón CFRD

Si está fundada sobre suelos permeables se

requiere una cortina impermeable

Se hace una pared moldeada

En este tipo de presas, la construcción de la

pared está en el camino crítico del programa

Presa de Enrocados con Pantalla de

Hormigón CFRD

Si está fundada sobre suelos permeables se

requiere una cortina impermeable

Se hace una pared moldeada

En este tipo de presas, la construcción de la

pared está en el camino crítico del programa

Presa de Enrocados con Pantalla Impermeable CFRD

 Presas CFRD (concrete face rock fill dam)

 Este tipo de presa se podía construir sólo sobre roca

 El cuerpo de la presa y la fundación debe ser de suelos libremente drenantes: roca o fluviales

 Toda la pantalla debía llegar hasta el “plinto” en la roca

 Se dejaba bajo la presa los materiales existentes que fueran permeables

 La roca no es permeable pero tiene alta resistencia

Toda la pantalla debía llegar hasta el

“plinto” en la roca

Se dejaba bajo la presa, aguas abajo los

materiales existentes que fueran permeables

Si está fundada sobre suelos permeables se

requiere una cortina impermeable

Se hace una pared moldeada

En este tipo de presas, la construcción de la

pared está en el camino crítico del programa

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Si está fundada sobre suelos permeables se

requiere una cortina impermeable

Se hace una pared moldeada

En este tipo de presas, la construcción de la

pared está en el camino crítico del programa

Si está fundada sobre suelos permeables se

requiere una cortina impermeable

Se hace una pared moldeada

En este tipo de presas, la construcción de la

pared está en el camino crítico del programa

Pantalla de hormigón

1 ~ 1.5

Gravas o rocas (drenante)

Plinto Suelo de Roca

Fluvial de Río o material poco compresible

Presas

Presa (CRFD) sobre Fluvial de Río

Presa de Enrocados con Pantalla de

Hormigón CFRD

 Como excepción, en Chile en los 90, se inició el empleo de combinaciones pantalla de hormigón con pared moldeada vertical en el valle  Esto considerando que los ríos chilenos corren

sobre rellenos de fluviales permeables con espesores importantes

 La pantalla impermeabiliza el cuerpo de la presa. La pared moldeada , vertical, impermeabiliza los fluviales bajo la presa

Fluvial de Río Gravas o rocas (drenante) Plinto Pantalla de hormigón Suelo de Roca

Presas

Presa (CRFD) con Fluvial de Río profundo.

Solución, construcción de pared moldeada hasta la roca.

1 ~ 1.5

Pared Moldeada

En el mundo se extendió en forma

importante el empleo de las CFRD en valles

similares a los chilenos

En Chile Santa Juana (primera en el mundo)

Puclaro, el Bato

Si se tuviera que construir de nuevo las

grandes presas chilenas (Colbún, Paloma,

Melado, ..) serían CFRD

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La pared moldeada no necesita llegar a la

roca

Basta una profundidad tal que las

filtraciones:

 No sean importantes económicamente

 El flujo no produzca erosión, o sea, que la gradiente hidráulica no sea la que hace flotar

las partículas Fluvial de Río

Gravas o rocas (drenante) Plinto Pantalla de hormigón 1 ~ 1.5

Pared Moldeada reducido, se producen Gradiente Hidráulico

pocas filtraciones

Presas

Presa (CRFD) con Fluvial de Río muy profundo.

Solución, construcción de pared moldeada profunda para disminuir el gradiente hidráulico.

Presa de Enrocados con Pantalla de

Hormigón CFRD

 Lo más importante es que todos los suelos deben ser permeables. En ningún punto del cuerpo de la presa puede haber presiones

 Toda la presión del embalse la contiene la pantalla que la transmite directo al enrocado (la pantalla está aplastada sobre el enrocado)

 Se comporta como un pavimento

Presas

Presa de Enrocados con Pantalla Impermeable CFRD

 Son intrínsicamente estables pues la carga del agua del embalse comprime el cuerpo de la presa y,

 Al estar seco el material, no hay presiones de poro que rebajen el roce entre partículas

 Recordar que el roce entre partículas de un suelo es proporcional a la presión entre ellas

 La presión es igual al peso de material sobre ella (presión geostática) más la sobrecarga (presión del embalse en este caso) menos la presión de poros

 En una CFRD la presión de poros es cero

Presa de Enrocados con Pantalla Impermeable CFRD

 Los enrocados tienen coeficiente de roce (tg fi) elevado, comprendido entre 0,8 y 1

 Los fluviales son aún mejores, tg fi mayor que 1  En estas presas todo el cuerpo de la presa

contribuye a la resistencia contra la componente horizontal del empuje del agua

 Repetimos, la componente vertical del empuje ayuda a la resistencia

 Resultan taludes aguas arriba y aguas abajo empinados

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Presa de Enrocados con Pantalla

Impermeable CFRD

Desde el punto de vista de los costos y

plazos de construcción es importante:

 Capas de relleno, muy gruesas hasta unos 2 metros de espesor

 Libertad para construir en cualquier secuencia. Por ejemplo si el valle es ancho, se pueden iniciar rellenos antes del desvío. Se puede construir la pantalla en etapas

Presa de Enrocados con Pantalla de

Hormigón (CFRD)

Presa de Enrocados con Pantalla

Impermeable CFRD

Presa de Enrocados con Pantalla de

Hormigón (CFRD)

Los diseños son empíricos, guiados por

ingenieros consultores que participan en

proyectos en todo el mundo

La sección de la presa, los tratamientos de

las fundaciones, los espesores de la pantalla,

los detalles de las juntas, etc se determinan

de acuerdo a lo que ha resultado exitoso

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Presa de Enrocados con Pantalla de

Hormigón (CFRD)

 Las presas de este tipo se ha demostrado que son las más seguras

 Fallas de la pantalla, que es el elemento

impermeable, provocan pérdida de agua que filtra. Sin embargo no se compromete la seguridad de la presa

 Ha habido presas que debido a crecidas se han llenado antes de construir la pantalla. Filtraciones de 60 m3/seg sin erosionar

 El diseño de los rellenos se hace de modo que la permeabilidad y el tamaño de los bloques aumente en forma gradual

 Junto a la pantalla materiales filtro de suelos granulares no cohesivos finos (materiales 2A)  A continuación otra capa filtro de la anterior

(material 2B)

 Después el espaldón grueso de mejor calidad con capas de 80 cm. de espesor (3A), espesor 1/3 del espesor de la presa

Después material 3B con capas de 2

metros de espesor

De este modo si hay rotura de la

pantalla o falla de sus juntas

filtraciones moderadas

Se tratan dejando caer material fino sin

cohesión que colmata a los materiales

aguas arriba

Presas

Presa de Enrocados con Pantalla de

Hormigón CFRD

 Se construye la pantalla en fajas de unos 15 a 18 metros de ancho sin juntas en toda la altura de la presa

 Se elige el ancho por razones constructivas  En las juntas entre fajas se colocan “water stop”

de cobre o de plástico

 Son láminas que se empotran en ambos elementos permitiendo que se separen conservando la estanqueidad

Presa CFRD

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Presas CFRD

Generalidades

La más alta del mundo está en Méjico con

210 metros de altura, recién terminada

Se está iniciando una presa de 250 metros,

también en Méjico

Se ha ido creciendo desde 100 metros en los

años70, 160 metros en los años 80

Presa de Enrocados con Pantalla de

Hormigón (CFRD)

 En 2006, durante el primer llenado ocurrieron roturas en las pantallas de hormigón de tres presas de enrocado:

 dos presas en Brasil de unos 200 metros de altura

 Una en Sud Africa de 146 metros de alto

 Se descubrió que en China hubo un caso similar tres años antes

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e

h

 Se reparó y selló la grieta sobre nivel del Embalse.  Se detectó con buzos y un robot que la grieta

seguía bajo el agua

 No se detectaron las fallas horizontales  Bajo agua se hizo el tratamiento normal

consistente en descarga suelos finos no cohesivos  Disminuyeron las filtraciones

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Accidente de Compuerta Desvío

El embalse se vació y puso a la vista todas

las fallas

CFRD

(13)
(14)

En los proyectos hidroeléctricos, los

embalses se mantienen llenos

Fluctúa sólo la parte superior

Quedan dudas si en otros proyectos se

agrietó la losa pero no se supo

Demuestra la seguridad intrínseca de este

tipo de presa

Presas

Presa Gravitacional de Hormigón

1 0.8

vertedero

Presas

Presa Gravitacional de Hormigón

 Se puede construir sólo sobre roca.

 Como excepción en suelos poco compresibles y permeables (gravas del valle central) para presas hasta 25 metros de altura.

 El vertedero se construye sobre la presa.  El costo de las obras de desvío de caudales es

relativamente bajo.

 Las obras de toma y descarga son sencillas.  Las hemos visto al tratar HCR

Presas

Presa Gravitacional de Hormigón

Presas

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Presas

Presa Gravitacional de Hormigón HCR

Cálculo seudo estático:

 El empuje del agua horizontal a 1/3 de la altura en cada bloque en que está dividida la presa

 Momento respecto al punto de volcamiento=Momento volcante =MV

 Momento de los pesos del hormigón =Momento Resistente

 MR mayor que MV*coef seg.

 Se aumenta la presión por sismo

Presas

Presa Gravitacional de Hormigón HCR

 Durante los primeros años se considera la tracción debido al enfriamiento:

 el cuerpo de la presa sube temperatura cuando aún está el hormigón plástico

 Se enfría, por su espesor lentamente en varios años. Genera tracciones

 En ese periodo se superpone con un sismo de menor magnitud

 Casi siempre esta última combinación es la peor

Todas las presas se verifican por medio de

modelos de elementos finitos o diferencias

finitas

Cada día programas más amistosos y

completos

Entregan tensiones y deformaciones en las

diferentes etapas de la construcción y

operación

Presas

Presa en Arco

puente R En un arco con cargas uniformes, sólo se produce compresión

Presas en Arco

En cada punto la compresión es P*R

Como el valle se va ensanchando, el radio

va aumentando

Resulta un arco de doble curvatura

Cuando las condiciones son ideales, resultan

espesores muy bajos. 1/10 de la altura o

menos

Presas

Presa en Arco

A A’

(16)

Presas

Presa en Arco

 Este tipo de presa se puede construir sólo en valles muy estrechos (B/H < 2,5) y con calidad roca muy buena.

 Si estas condiciones se cumplen, es la solución más económica.

B

H

Presa en Arco

 Es frecuente en presas en arco que durante la construcción se descubran condiciones más difíciles que las consideradas en el diseño  Aumentos de costo y de plazos catastróficos  Se requieren prospecciones muy intensas. Gran

cantidad de sondajes y galerías de inspección  En Chile sólo Rapel es una presa en arco y fue un

desastre en costos y plazos

PRESAS

Comparaciones

Tipo de presa Base Volumen por metro de presa (B*H/2)

US$/m³ Total por metro de presa Plazo de construcción Zonificada 4.5*H 2.25*H² 5 11.2 2.5 Enrocado con pantalla 3*H 1.5*H² 4 6 2 Gravitacional (HCR) 0.8*H 0.4*H² 40 16 1

PRESAS

Comparaciones

En el cuadro se consideró presas CFRD y

los espaldones de la zonificada de gravas

Si son de roca proveniente de una cantera,

ambas aumentan el costo al doble

De todas maneras las presas gravitacionales

de hormigón HCR son las más caras

PRESAS

Comparaciones

 El vertedero en la HCR está en el cuerpo de la presa. Casi sin costo

 Las obras de Desvío se dimensionan para crecidas con periodo de recurrencia menor ya que una vez que arranca la presa sobre cierta cota, los daños de un rebalse no son importantes

 Similarmente el vertedero se calcula con periodo de recurrencia menor

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PRESAS

Comparaciones

 La desviación se calcula para crecidas fuera del invierno

 Los Túneles de Desvío son mucho mas cortos Las obras de descarga en la HCR también en el cuerpo de la presa bajo costo

 Si es una central hidroeléctrica, con una HCR, también las obras de aducción son más cortas y más sencillas

 Para comparar se deben hacer anteproyectos de soluciones con presas CFRD y HCR incluyendo el total de las obras

PRESAS

Comparaciones

La HCR gana sólo en los casos en que la

topografía hace que los vertederos sean muy

caros y las crecidas son demasiado grandes

A su favor está la gran velocidad de

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