UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR.
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA.
ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL.
OBRAS HIDRÁULICAS T.E.
ALUMNO: IRWIN BATRES AVALOS BA07007
MIÉRCOLES 18 DE ENERO DE 2012
PRESAS DE ENROCAMIENTO.
i ÍNDICE INTRODUCCIÓN. ... I OBJETIVOS. ... III JUSTIFICACIÓN. ... IV CAPITULO I. ... 1
GENERALIDADES SOBRE LAS PRESAS. ... 1
CAPITULO II. ... 7
CLASIFICACIÓN DE CORTINAS EN PRESAS DE TIERRA Y ENROCAMIENTO, DE MATERIALES COMPACTADOS. ... 7
2.1. PRESAS DE RELLENO HIDRÁULICO. ... 7
2.2. PRESAS DE MATERIALES COMPACTADOS. ... 9
2.2.1. Presas Homogéneas. ... 11
2.2.2. Presas homogéneas con filtros. ... 11
2.2.3. Presas de materiales graduados. ... 12
2.2.4. Presa de enrocamiento. ... 13
2.2.5. Presas con Delantal o con Pantalla. ... 15
2.3. DEFINICIÓN DE TÉRMINOS. ... 18 2.4. TIPOS DE SECCION. ... 20 2.4.1. Sección homogénea. ... 21 2.4.2. Sección graduada ... 21 2.4.3. Sección Mixta. ... 21 CAPITULO III. ... 23 ESTUDIOS BÁSICOS ... 23
3.1. PRINCIPIOS DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PRESAS DE TIERRA Y ... 23
3.1.1. Datos para el proyecto. ... 23
3.1.2. Bases para el proyecto. ... 24
3.2. NORMAS GENERALES DE CONSTRUCCIÓN... 25
3.2.1. Limpia de la cimentación ... 25
3.2.2. Desvió. ... 25
3.2.3. Colocación de los materiales en el terraplén. ... 26
ii NOCIONES PRELIMINARES PARA LA ESTABILIZACION DE LAS CORTINAS EN PRESAS DE TIERRA Y
ENROCAMIENTO. ... 27
4.1. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES ... 27
4.1.1. Granulometría. ... 27
4.1.2. Graduación. ... 28
4.1.3. Forma. ... 28
4.1.4. Plasticidad. ... 29
4.1.5. Estructura. ... 29
4.2. SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACION DE SUELOS (SUCS). ... 30
4.3. PROPIEDADES GENERALES DE LAS FRACCIONES DE UN SUELO ... 31
4.3.2. Limo y arcilla. ... 31
4.4. CLASIFICACION DE LAS GRAVAS Y ARENAS. ... 33
4.4.1. Gravas bien graduadas (Gb). ... 33
4.4.2. Gravas mal graduadas (Gm). ... 33
4.4.3. Arenas bien graduadas (Ab). ... 34
4.4.4. Arenas mal graduadas (Am). ... 34
4.4.5. Arenas limosas (AL). ... 34
4.4.6. Arenas Arcillosas (AB). ... 34
4.5. CLASIFICACIÓN DE MATERIALES FINOS. ... 35
4.5.1. Limos de baja compresibilidad (lp). ... 35
4.5.2. Arcillas de baja compresibilidad (bp). ... 35
4.5.3. Suelos orgánicos de baja compresibilidad (Op). ... 35
4.5.4. Limos de alta compresibilidad (Lc). ... 35
4.5.5. Arcillas altamente compresibles (Bc). ... 35
4.5.6. Suelos orgánicos altamente compresibles (Oc). ... 35
4.6. PRUEBAS MANUALES PARA IDENTIFICAR SUELOS FINOS EN EL ... 36
4.6.1. Resistencia del suelo seco. ... 36
4.6.2. Tenacidad. ... 37
4.6.3. Limite plástico. ... 37
CAPITULO V. ... 38
ANALISIS DE ESTABILIDAD DE TALUDES. ... 38
iii
5.2. –TUBIFICACION. ... 38
5.2.1. – Medidas para evitar la tubificación. ... 40
5.3. – FALLAS POR AGRIETAMIENTO. ... 42
5.3.1. – Medidas preventivas para evitar la falla por agrietamiento. ... 43
5.4. FALLAS POR LICUACIÓN ... 45
5.4.1. – Recomendaciones para prevenir la falla por flujo. ... 49
5.5. DESLIZAMIENTO DE TALUDES. ... 50
5.5.1. Resistencia al esfuerzo cortante ... 50
5.6. TIPOS DE PRUEBA ... 51
5.6.1. Compresión Triaxial. ... 51
5.6.2. Prueba rápida ... 51
5.6.3. Prueba consolidada rápida: ... 52
5.6.4. Prueba lenta ... 52
5.7. CONDICIONES DE TRABAJO DE UNA PRESA DE TIERRA Y ... 52
5.7.1. Condiciones iniciales. ... 54
5.7.2. – Condiciones finales. ... 54
5.7.3. Condición de vaciado rápido. ... 55
5.8. RELLENOS COMPACTADOS. ... 56
5.8.1. Diversos tipos de maquinas de compactación. ... 57
5.9. CALCULO DE LA ESTABILIDAD DE UN TALUD EN UNA PRESA ... 59
DE TIERRA Y ENROCAMIENTO. ... 59
5.9.1. Calculo de la curva de filtración en una presa de tierra de dos materiales. ... 60
CAPITULO VI. ... 64
RECOMENDACIONES Y CONCLUSIONES. ... 64
6.1. RECOMENDACIONES GENERALES PARA LA ESTABILIZACIÓN DE LAS ... 64 CONCLUSIONES. ... V BIBLIOGRAFÍA ... VI
I
INTRODUCCIÓN.
Las presas son construcciones realizadas en la cuenca de los ríos con múltiples finalidades, entre las que destacan: abastecimiento de agua a poblaciones, regulación general de la corriente de agua o río, aprovechamiento industrial de su energía, hacer navegables ciertos canales o tramos de río y defender de los daños producidos por las riadas e inundaciones, entre otros.
Semejantes o parecidos son los diques de protección construidos en terrenos desecados o amenazados por las aguas marinas, frecuentes sobre todo en Holanda. No obstante, siempre que se construye una presa, aunque sea para otra finalidad principal, se aprovecha para producción de energía. La presa de mayores dimensiones hasta ahora conocida es la de la Tres Gargantas (China); su construcción comenzó en 1994 para regular las desastrosas y devastadoras inundaciones producidas por el Yangtzé o río Azul casi todos los años y aún está sin terminar como consecuencia de las grandes críticas recibidas y de los problemas de financiación existentes. Existen diversos tipos de presas ya sean de gravedad, contrafuerte, de arco bóveda o escolleras, esta ultima es de interés principal para este trabajo ya que las presas escolleras son aquellas formadas por tierra y roca, es por ello que se les conoce como presas de enrocamiento, y también llamadas de materiales sueltos, estas son todas de gravedad, las cuales son todas aquellas en las que su propio peso es el encargado de resistir el empuje del agua. El empuje del embalse es transmitido hacia el suelo, por lo que éste debe ser muy estable capaz de resistir, el peso de la presa y del embalse. Constituyen las represas de mayor durabilidad y que menor mantenimiento requieren.
Las presas de tierra y enrocamiento, es posible que sean una de las estructuras más antiguas construidas por el hombre. Se sabe que los chinos, antes de la era cristiana, ya tenían bordos de gran longitud y compactaban la tierra con varas de carrizo manejadas por verdaderos ejércitos humanos.
Los hindúes desarrollaron este tipo de obra desde el año 500 a.c. y construyeron la presa MaddukMasur, de 33 m de altura, hace 45 décadas, se destruyo por carencia de vertedor. Las presas de tierra para el almacenamiento de agua para riego, como lo atestiguan la historia y los restos que sobreviven de las antiguas estructuras, se han usado desde los primeros días de la civilización.
Algunas de las estructuras construidas en la antigüedad eran de enorme tamaño. En Ceilán, en el año 504 A.C. se terminó una presa de tierra de
II
11 m de largo y de 70 pies de alto, contenía, aproximadamente, 17 millones de yardas cúbicas de terraplén. En nuestros días, como en el pasado, la presa de tierra continúa siendo el tipo más común de presa pequeña, principalmente porque en su construcción se utilizan materiales en su estado natural con un mínimo de tratamiento.
Hasta en los tiempos modernos todas las presas de tierra se proyectan por procedimientos empíricos, y la literatura de ingeniería está repleta de relatos de las fallas. Estas fallas obligaron a darse cuenta de que los métodos empíricos debían remplazarse por procedimientos racionales de ingeniería, tanto en el proyecto como en la construcción. Uno de los primeros en sugerir que los taludes de las presas de tierra se eligieran en esta forma fue Bassell en 1907. Sin embargo, se hicieron pocos progresos en la elaboración de procedimientos de proyectos racionales hasta la década de 1930. El rápido avance de la ciencia de la mecánica de suelos, desde ese tiempo, había dado por resultado el desarrollo de procedimientos de proyectos muy mejorados para las presas de tierra y roca.
Estos procedimientos constan de investigaciones previas de las cimentaciones y del estudio de los materiales de construcción; aplicación de los conocimientos y técnica de la ingeniería al proyecto; y métodos de construcción cuidadosamente proyectados y controlados.
Como resultado, las presas de tierra y enrocamiento se construían (1968) hasta alturas que sobrepasaban de los 500 pies (152.40 m) arriba de sus cimentaciones; y cientos de grandes presas de tierra compactada se construyeron en los pasados 20 años sin haberse registrado ninguna falla. Sin embargo, las fallas de presas pequeñas continúan siendo cosa común. Aunque es probable que algunas de estas fallas sean el resultado de un mal proyecto, muchas de ellas han sido causadas por falta de cuidado en la construcción. Los métodos correctos de construcción incluyen la preparación adecuada de la cimentación y la colocación de materiales en la presa con el grado necesario de compactación, siguiendo un procedimiento establecido de prueba y control.
El proyecto de una presa de tierra y enrocamiento debe apegarse a la realidad. Debe acusar las condiciones reales del emplazamiento en que se construye y los materiales de construcción de que se dispone, y no debe copiarse, simplemente, algún proyecto que haya tenido éxito usado en un lugar en condiciones diferentes.
III
OBJETIVOS.
OBJETIVO GENERAL.
El objetivo primordial de esta tesis es el de analizar las condiciones de estabilidad de las presas de tierra y enrocamiento y definir los parámetros mecánicos de los materiales a utilizar en la construcción de estas obras y a partir de ello estimar su futuro comportamiento ante las condiciones de esfuerzos a las que serán expuestas durante su vida útil.
OBJETIVOS ESPECIFICOS.
En la construcción de Presas de Tierra y enrocamiento, se debe cumplir con los siguientes objetivos, en una forma concisa y clara, presentar la metodología que abarca, desde el estudio de los materiales de construcción hasta la etapa de construcción, de acuerdo con los nuevos avances de la mecánica de suelos y tomando en cuenta la técnica desarrollada en nuestro país en esta materia.
En este trabajo se abordan los principios generales de diseño y construcción de cortinas de tierra y enrocamiento, escrito a un nivel que permita a los ingenieros, que no están suficientemente familiarizados profundicen en este estudio, especialmente a los ingenieros no especializados en el campo de la Mecánica de Suelos además pretenden ser una guía en el criterio general a seguir ante los problemas que se plantean tanto en el diseño como la construcción de presas de tierra y enrocamiento y tener un conocimiento preciso de los fundamentos de esta rama de la Ingeniería y de esta manera actuar con criterio del conocimiento desde los materiales a emplear hasta la maquinaria a utilizar así como formas de construcción, ya que el mayor número de cortinas que se han construido en nuestro país, indudablemente caen dentro de éste tipo que son en un 70 %..
Es de importancia este trabajo debido a que existen muy pocas publicaciones sobre este tema, este trabajo servirá a los alumnos de ingeniería civil, con datos precisos para la materia de Obras Hidráulicas.
IV
JUSTIFICACIÓN.
Siendo El Salvador un país que cuenta con una gran cantidad de habitantes que requieren satisfacer sus necesidades básicas, como agua potable y drenaje requerido por la población o por sus industrias, el consumo de energía, riego de los cultivos, para la producción de alimentos, es necesario construir presas para aprovechar los recursos hidráulicos superficiales del país.
Se construyen presas para crear un lago artificial o derivar el río a una cota prefijada, con objeto de almacenar o captar los escurrimientos y regar tierras o generar energía, o bien, dotar de agua potable a poblaciones o centros industriales. También sirven para regularizar el flujo de una corriente que provoca inundaciones en predios o poblados. Dichas estructuras no siempre responden a solo una de las finalidades antes mencionadas, más bien se proyectan para funciones múltiples coordinando los servicios de riego, electrificación y regularización de avenidas, con miras al desarrollo integral de una región.
De lo anterior se infiere que la presa es el resultado de un estudio general, en el que intervienen las características del río, la geología de la región, la existencia de sitios apropiados para crear el embalse y cimentar la obra, de tierras de labor o necesidades de energía en la región, o bien de poblaciones que proteger o dotar de agua. En lo que se refiere a la presa propiamente dicha, los estudios generales comprenden la selección del tipo de estructura, la disposición preliminar de las partes integrantes (cortina, obra de toma, vertedor, desvío, casa de máquinas, etc.)
La construcción de Presas de Tierra y enrocamiento, cumple ampliamente con estos objetivos importantes y en una forma concisa y clara que presenta la técnica seguida, desde el estudio de los materiales de construcción hasta la etapa de construcción, de acuerdo con los nuevos avances de la mecánica de suelos.
1
CAPITULO I.
GENERALIDADES SOBRE LAS PRESAS.
En ingeniería se denomina presa o represa a una barrera fabricada con piedra, hormigón o materiales sueltos, que se construye habitualmente en una cerrada o desfiladero sobre un río o arroyo con la finalidad de embalsar el agua en el cauce fluvial para su posterior aprovechamiento en abastecimiento o regadío, para elevar su nivel con el objetivo de derivarla a canalizaciones de riego, o para la producción de energía mecánica al transformar la energía potencial del almacenamiento en energía cinética, y ésta nuevamente en mecánica al accionar la fuerza del agua un elemento móvil. La energía mecánica puede aprovecharse directamente, como en los antiguos molinos, o de forma indirecta para producir energía eléctrica, como se hace en las centrales hidroeléctricas.
Partes que conforman la presa:
Corona: Parte superior de la estructura, generalmente revestida para
prevenir el secado del corazón impermeable y proporcionar una vía para el tránsito de vehículos.
Altura: Diferencia entre las elevaciones de la corona y el punto más bajo
de La cimentación.
Bordo libre: Distancia vertical entre el nivel de la corona y el de las aguas
máximo extraordinarias (NAME); este último se alcanza cuando el vertedor trabaja a su capacidad límite de descarga. El bordo libre debe de proteger a una presa, con cierto margen de seguridad, de los efectos del oleaje generado por el viento o sismos y tomar en cuenta el asentamiento máximo de la corona.
Namo: Nivel de aguas máximas ordinarias. Coincide con la elevación de la
cresta del vertedor en el caso de una estructura que derrama libremente; si se tienen compuertas, es el nivel superior de estas.
2 Taludes exteriores: Están relacionados a la clasificación de suelos que se
va a usar en la construcción, especialmente suelos impermeables. El talud elegido es estrictamente conservador, y dependen del tipo de cortina y de la naturaleza de los materiales.
Núcleo impermeable: Pantalla impermeable de la cortina construida
consuelo compactado este núcleo puede estar al centro y ser vertical o inclinado, o bien, localizado próximo al paramento de aguas arriba. Dichas alternativas van a depender de los materiales del lugar.
Respaldos: Partes de la cortina construidas con materiales permeables
(enroca miento, gravas o arenas), o bien, suelos limosos o arcillosos colocados aguas abajo pero confinados por filtros.
Filtros: Elementos de la sección formados con arena limpia, bien
graduada, destinados a colectar las filtraciones a través del núcleo y protegerlo de una posible erosión interna; puede requerirse un filtro vertical al centro, unido a otro en la base, aguas abajo: cuando el respaldo de aguas arriba debe de construirse con un material de permeabilidad relativamente baja, suelen intercalarse capas filtrantes horizontales.
Protecciones: Para evitar la erosión causada por oleaje por el talud de
aguas arriba o por lluvias en el de aguas abajo, los paramentos respectivos se forman con materiales capaces de resistir dicha acción. Aguas arriba es conveniente usar una capa de enroca miento, pero la carencia de las rocas en el lugar puede obligar el uso de losas de suelo cemento, concreto o de recubrimientos asfálticos. Aguas abajo es frecuente cubrir con una capa de suelo y césped.
Tipos de presas:
Los diferentes tipos de presas responden a las diversas posibilidades de cumplir la doble exigencia de resistir el empuje del agua y evacuarla cuando sea preciso. En cada caso, las características del terreno y los usos que se le quiera dar al agua, condicionan la elección del tipo de presa más adecuado.
Existen numerosos tipos, comenzando con que puede hablarse de presas fijas o móviles, pero primero debemos clasificarlas en dos grandes grupos según su estructura y según los materiales empleados en su construcción. Aunque existen cuatro tipos fundamentales de presas:
De gravedad (de hormigón rodillado o convencional) De contrafuertes
De arco‐bóveda
De escollera (de tierra o de roca), y también llamadas de materiales sueltos (estas son todas de gravedad).
3
Presa hinchable
Pudiendo tener un núcleo, de diferentes formas, o incluso una pantalla asfáltica para sellar, o una parte de arcilla.
Existen también presas hinchables, basculantes y pivotantes pero son de mucha menor entidad o han caído en desuso, por lo que no se consideran aquí.
Según su estructura:
Presas de gravedad: son todas aquellas en las que su propio peso es el
encargado de resistir el empuje del agua. El empuje del embalse es transmitido hacia el suelo, por lo que éste debe ser muy estable capaz de resistir, el peso de la presa y del embalse. Constituyen las represas de mayor durabilidad y que menor mantenimiento requieren.
Dentro de las presas de gravedad se puede tener:
Escollera ‐ Tierra homogénea, tierra zonificada, CFRD (grava con losa de hormigón), de roca.
De hormigón ‐ tipo RCC (hormigón rodillado) y hormigón convencional.
Su estructura recuerda a la de un triángulo isósceles ya que su base es ancha y se va estrechando a medida que se asciende hacia la parte superior aunque en muchos casos el lado que da al embalse es casi de posición vertical. La razón por la que existe una diferencia notable en el grosor del muro a medida que aumenta la altura de la presa se debe a que la presión en el fondo del embalse es mayor que en la superficie, de esta forma, el muro tendrá que soportar más fuerza en el lecho del cauce que en la superficie.
La inclinación sobre la cara aguas arriba hace que el peso del agua sobre la presa incremente su estabilidad.
Presas de bóveda o presas en arco: son todas aquellas en las que su
propia forma es la encargada de resistir el empuje del agua. Debido a que la presión se transfiere en forma muy concentrada hacia las laderas de la cerrada, se requiere que ésta sea de roca muy dura y resistente. Constituyen las represas más innovadoras en cuanto al diseño y que menor cantidad de hormigón se necesita para su construcción.
Cuando la presa tiene curvatura en el plano vertical y en el plano horizontal, también se denomina de bóveda. Para lograr sus complejas formas se construyen con hormigón y requieren gran habilidad y experiencia de sus constructores que deben recurrir a
Según su material:
Presas de hormigón: son las más utilizadas en los países desarrollados ya
que con éste material se pueden elaborar construcciones más estables y duraderas; debido a que su cálculo es del todo fiable frente a las
4
producidas en otros materiales. Normalmente, todas las presas de tipo gravedad, arco y contrafuerte están hechas de este material.
Algunas presas pequeñas y las más antiguas son de ladrillo, de sillería y de mampostería.
En España, el 67% de las presas son de gravedad y están hechas con hormigón ya sea con o sin armaduras de acero.
La presa de las Tres Gargantas situada en el curso del río Yangzi en China es la planta hidroeléctrica y de control de inundaciones más grande del mundo. Se terminó en el año 2009. Una docena de ciudades y miles de pueblos fueron engullidos por las aguas, obligando a desplazarse a más de un millón y medio de personas.
Presas de materiales sueltos: son las más utilizadas en los países
subdesarrollados ya que son menos costosas y suponen el 77% de las que podemos encontrar en todo el planeta.
Son aquellas que consisten en un relleno de tierras, que aportan la resistencia necesaria para contrarrestar el empuje de las aguas. Los materiales más utilizados en su construcción son piedras, gravas, arenas, limos y arcillas aunque dentro de todos estos los que más destacan son las piedras y las gravas.
Este tipo de presas tienen componentes muy permeables, por lo que es necesario añadirles un elemento impermeabilizante. Además, estas estructuras resisten siempre por gravedad, pues la débil cohesión de sus materiales no les permite transmitir los empujes del agua al terreno. Este elemento puede ser arcilla (en cuyo caso siempre se ubica en el corazón del relleno) o bien una pantalla de hormigón, la cual se puede construir también en el centro del relleno o bien aguas arriba. Estas presas tienen el inconveniente de que si son rebasadas por las aguas en una crecida, corren el peligro de desmoronarse y arruinarse.
Presas de Enrocamiento con Cara de Hormigón (o Concreto): Este tipo
de cortinas en ocasiones es clasificada entre las de materiales sueltos; por su forma de ejecución y su trabajo estructural son diferentes. El elemento de retención del agua es una cortina formada con fragmentos de roca de varios tamaños, que soportan en el lado del embalse una cara de hormigón la cual es el elemento impermeable. La pantalla o cara está apoyada en el contacto con la cimentación por un elemento de transición llamado plinto, que soporta a las losas de hormigón. Este tipo de estructura fue muy utilizada entre 1940 a 1950 en cortinas de alturas intermedias y cayó en desuso hasta finales del siglo XX en que fue retomado por los diseñadores y constructores al disponer de mejores métodos de realización y equipos de construcción eficientes.
5 Según su aplicación:
Presas filtrantes o diques de retención: son aquellas que tienen la
función de retener sólidos, desde material fino, hasta rocas de gran tamaño, transportadas por torrentes en áreas montañosas, permitiendo sin embargo el paso del agua.
Presa filtrante de hormigón en un torrente de los Alpes
Presas de control de avenidas: son aquellas cuya
finalidad es la de laminar el caudal de las avenidas torrenciales, con el fin de que no se cause daño a los terrenos situados aguas abajo de la presa en casos de fuerte tormenta.
Presas de derivación: El
objetivo principal de estas es elevar la cota del agua para hacer factible su derivación, controlando la sedimentación del cauce de forma que no se obstruyan las bocatomas de derivación. Este tipo de presas son, en general, de poca altura ya que el almacenamiento del agua es un objetivo secundario.
Presa De Derivación En El Río Mosa.
En la foto, la bocatoma está en la margen derecha del río. La estructura que atraviesa el río sirve para crear un pequeño represamiento para garantizar el funcionamiento de la
6
Presas de Almacenamiento: El objetivo principal de éstas, es retener el
agua para su uso regulado en irrigación, generación eléctrica, abastecimiento a poblaciones, recreación o navegación, formando grandes vasos o lagunas artificiales. El mayor porcentaje de presas del mundo, las de mayor capacidad de embalse y mayor altura de cortina corresponden a este objetivo.
Presas de Relaves o Jales: Son estructuras de retención de sólidos
sueltos y líquidos de desecho, producto de la explotación minera, los cuales son almacenados en vasos para su decantación. Por lo común son de menores dimensiones que las presas que retienen agua, pero en algunos casos corresponden a estructuras que contienen enormes volúmenes de estos materiales. Al igual que las presas hidráulicas tienen cortina (normalmente del mismo tipo de material), vertedero, y en vez de tener una obra de toma o bocatoma poseen un sistema para extraer los líquidos.
7
CAPITULO II.
CLASIFICACIÓN DE CORTINAS EN PRESAS DE TIERRA Y ENROCAMIENTO, DE MATERIALES COMPACTADOS.
Atendiendo al procedimiento de construcción, son dos los tipos de cortina: la de relleno hidráulico y la de materiales compactados.
2.1. PRESAS DE RELLENO HIDRÁULICO.
Como antes se menciono sobre este tipo de presas solo hablaremos de forma rápida para que se tenga conocimiento de las diferencias entre estos tipos de presas.
Su característica fundamental es que los materiales integrantes de la sección, incluyendo los finos del corazón y los granulares relativamente gruesos de los respaldos permeables, son atacados en la cantera, conducidos a la cortina y colocados en ella por medios hidráulicos. Con la creación de un estanque al centro del terraplén y canales de distribución que parten del talùd exterior; se logra una disposición adecuada del material explotado en cantera. Manteniendo un control estricto de las pendientes en los canales de distribución, los fragmentos más gruesos se depositan en la vecindad de los taludes exteriores, la fracción arcillosa o limosa se sedimenta en las partes centrales, y entre esta y la masa granular queda una zona de tracción. Teóricamente la solución es atractiva. En la práctica, son varios los factores que influyen en la construcción de la estructura, algunos de ellos de difícil vigilancia
Cantera. Debe presentarse a un ataque hidráulico con “chiflones” o “monitores”, tener composición granulometría aceptable y homogénea. Estos dos últimos requisitos son indispensables. El primero pude sustituirse por una explosión a base de explosivos, realizada en forma racional para obtener el producto buscado. Pero no todas las canteras pueden servir a este propósito, y antes de tomar una decisión es necesario hacer pruebas en el campo, suficientemente amplias para que resulte respectivamente de una explotación en gran escala y permitan determinar variaciones en la composición del material.
Transporte. Para que la condición de los materiales pueda realizarse económicamente por medio de una corriente de agua, se requiere disponer de un desnivel entre la cantera y la cortina, adecuado para mantener velocidad alta. Esta limita el tamaño máximo de los fragmentos que se incorporan a la presa.
Como no siempre existe ducha condición, puede ser costeable explotar dicha cantera con explosivos, cargar el producto en camiones, transportarlo a la cortina y formar en ellos montones que se atacan con chiflones para repartir el material por sedimentos, desde los taludes exteriores hacia el centro de la sección. Este procedimiento, conocido con
8
el nombre de semihidráulicos, es más caro, pero tiene ventajas importantes sobre al anterior; al permitir clasificar los materiales en el camión y distribuirlos mejor en el sitio.
Terraplén. Puesto que la colocación de los materiales en la cortina se realiza por sedimentación debe ser estricto el control de la velocidad del agua en las diferentes partes de la cortina; de otro modo, puede presentarse el caso de que se deposite al centro una capa de arena, o bien, se formen lentes de materiales. Las fronteras de los que deben considerar es el núcleo impermeable y las secciones permeables son; en general, variables. Las oscilaciones son causadas por cambios en la composición de la cantera y fallas de vigilancia en las pendientes de los canales de distribución y del terreno sobre el que escurre la suspensión del material. Sección de la cortina. El corte que se muestra en la figura es típico de este tipo de estructura. N o sería posible destacar en forma precisa las fronteras de los diversos materiales componentes, pues debido al procedimiento de colocación, de los tamaños grandes se pasa gradualmente al suelo fino que ocupa la zona central.
Para hacer verificaciones de estabilidad, es indispensable determinar el límite entre los materiales granulares y los cohesivos, indicando en la figura con líneas irregulares. La ubicación de estas fronteras se obtiene a partir de la composición granulométrica media del material que se va a usar en la construcción, estableciendo la proposición en que se encuentra los dos tipos de suelos.
De acuerdo con la clasificación del MIT, sí la granulometría es la que corresponde con las derivaciones señaladas por las curvas adyacentes, se concluyen que el corazón tendría taludes de 0.5:1, en promedio, con valores extremos probables de 0.60:1 y 0.35:1. La separación de los materiales friccionantes y cohesivos corresponden al tamaño de 0.06mm, o sea a la división entre los limos y arenas finas. Los taludes exteriores del ejemplo son conocidos de antemano, así como la relación de vacíos de las diferentes fracciones separadas por sedimentación.
Las consecuencias de una variación importante en la cantera, o bien de un control deficiente de la distribución de los materiales en la cortina, se exhiben a continuación.
9
Nota. La disponibilidad de materiales, equipo y personal experimentado, puede hacer que este procedimiento de construcción resulte atractivo por razones de costo. Sin embargo, son varias las desventajas que ameriten análisis.
Lo más importante es que todos los materiales son colocados en estado suelto. Por tanto, puede decirse que la resistencia al corte es menor y tanto la compresibilidad como la susceptibilidad a licuación, mayores que en cortinas de materiales compactados. En general, el volumen de una presa construida por este método es superior que otra de la misma altura realizada compactando los materiales. Las fallas de las presas de relleno hidráulico, Fort Peck en EUA y Necaxa en México, han desprestigiado este tipo de construcción.
El abatimiento de los costos de colocación de capas y de desarrollo de equipos de compactación cada vez más eficientes ha contribuido a que la alteración de presas de relleno hidráulico haya quedado al olvido, en las dos últimas década; Sin embargo, existe la tendencia a revivir e método aplicando nuevas técnicas de colocación y compactación de los materiales bajo aguas para formar zonas que resulten impermeables (presa Aswan, Egipto).
2.2. PRESAS DE MATERIALES COMPACTADOS.
La compactación de la tierra fue aplicada en Europa a principios del siglo XIX. En Inglaterra, hacia 1820, se usaron rebaños de ovejas; posteriormente, rodillos pesados de concreto o fierro. Dicha practica fue llevada a California, EUA, por ingenieros europeos y aplicada en 1860. En ese mismo Estado se desarrolló el rodillo pata de cabra (1950, con clavos de durmientes de unos 15 cm de longitud. Los resultados fueron satisfactorios y en 1970 se compactó la presa Drum, con este tipo de rodillo.
10
En esa época no se conocía la influencia del contenido de aguas del suelo en la compactación. Varias presas construidas en Estado Unidos colocando la tierra sin controlar la humedad fallaron al entrar en operación; en la actualidad se supone que la estructura tenía capas compactadas en estados seco y otras húmedas construidas durante el periodo de lluvias. En EUA nacieron varias tendencias respecto, una proporcionado la colocación de la tierra con tal contenido de agua que era realmente lodo, y otra, aceptando el suelo en su condición natural, que en las zonas áridas esta muy próximo al estado seco. Por su interés histórico, son dignas de atención las notas de Sherard (1952) en su tesis doctoral sobre el comportamiento de presas de tierra. Hasta que Proctor público en 1933 los resultados de sus estudios sobre compactación, los ingenieros comprendieron la importancia de ciertos parámetros como la humedad óptima y la energía de compactación en las propiedades mecánicas de los suelos. Los nuevos conceptos tuvieron de los suelos. Los nuevos conceptos tuvieron una difusión rápida.
Pronto se comprendió que no había razón para colocar los filtros y las transiciones sin compactar, y se desarrollaron rodillos vibraciones adecuados para este trabajo.
Hasta hace una década era usual exigir la colocación en capas de 20 a 30cm, transmitidas con las bandas de un tractor D8 o equivalente.
La mayoría de las estructuras, tienen enrocamientos colocados a volteo, en capas de espesor variable entre 2.5 y 5.0m, extendidas con tractores.
Las especificaciones de presas en construcción desde 1970, disponen que las zonas de grava y arena o enrocamiento con partículas de tamaño menor de 30 cm., se coloquen en capas de 50 cm. De espesor y compacten con rodillo liso vibratorio de 10 ton. Esto da una idea de la evolución observada de las presas de materiales compactados. Dicho está ligado estrechamente a los estudios de laboratorio sobre las propiedades de suelos sometidos a compactación y, desde hace menos de una década, a las investigaciones del mismo tipo aplicadas a los suelos granulares gruesos. Paralelamente se construyen equipos adecuados, tales como rodillos pata de cabra, lisos, con vibradores y sin ellos; de llanta de hule, algunos que pesan 10ton. Pisones neumáticos, tractores con banda metálica o llanta neumática, etc. Estos, conjuntamente con la fabricación de camiones de veloces de gran tamaño (17m 3 de capacidad), palas
mecánicas y cargadores eficientes, y el desarrollo de métodos más racionales para la exploración de roca, han permitido reducir los costos al mismo tiempo construir las presas en lapsos más cortos.
Las características de la seccionen una presa de materiales compactados dependen de la disponibilidad de suelos y rocas, de las propiedades mecánicas, de la topografía del lugar y de las condiciones geológicas. A
11
continuación se describen secciones típicas y se indican las razones principales que influyen en su elección.
2.2.1. Presas Homogéneas.
Construidas casi exclusivamente con tierra compactada, tiene por lo menos una protección contra el oleaje en el talud de aguas arriba. Fue el tipo usual de estructura en el siglo pasado. Por condiciones propias de la cimentación y de los materiales disponibles se construyen cortinas importantes de este tipo en la actualidad, con algunas modificaciones que se indican a continuación.
2.2.2. Presas homogéneas con filtros.
Con objeto de que el flujo de agua a través de la masa de tierra no intercepte el talud de aguas abajo, con los inconvenientes que se analizaran más adelante; la versión moderna de la presa homogénea es la que se muestra a continuación. Tiene en la base del terraplén un filtro formado con arena bien graduada; el espesor y longitud de este elemento son susceptibles de diseño mediante estudios de flujo en la masa de tierra.
Cuando los materiales que se usan en la cortina son sensibles al agrietamiento y la presa se cimienta sobre suelos compresibles o existen otras razones para prever la formación de grietas en el terraplén, se han incluido en el un dren vertical o chimenea, que se conecta en un filtro horizontal, o bien a un sistema de drenes alojados en la cimentación. Se
12
interceptan así las grietas transversales a la cortina, y en el agua que pueda circular por ellas se conducen por los drenes aguas abajo, sin correr el riesgo de una peligrosa tubificación en la masa de tierra.
Una condición de trabajo importarte en las presas homogéneas es el “vaciado rápido”. La acción tiene lugar en el talud de aguas arriba; al tratar el problema se estudiarán métodos para determinar su efecto en la estabilidad. En época reciente se ha recurrido a la colocación de filtros en el interior de la masa próxima al parámetro mojado, para reducir las fuerzas de filtración en dicho talud.
2.2.3. Presas de materiales graduados.
Se ha dado este nombre a las presas en que los materiales se distribuyen en forma gradual, de los suelos finos en el corazón, pasando por los filtros y transiciones en el enrocamiento, en los que también se trate de colocar el material respetando la misma idea. Esto no siempre puede lograrse, pues depende de que se tenga en el sitio la serie de materiales antes descritos.
13 2.2.4. Presa de enrocamiento.
Las presas de enrocado tienen características intermedias entre las presas de gravedad y las presas de tierra. La presa de enrocado tiene dos componentes estructurales básicos: una membrana impermeable y un terraplén que soporta a la membrana. El dique generalmente consiste en una sección aguas arriba de piedra seca o mampostería y una sección aguas abajo de enrocado suelto.
La sección de las presas de enrocado incluye un elemento impermeable discreto de relleno de tierra compactada, concreto esbelto o una membrana bituminosa. La designación como "presa de roca" o "presa de enrocado" es apropiada cuando más del 50% del material de relleno se pueda clasificar como roca, es decir, material resistente a la fricción de granulometría gruesa, como en el caso de piedras de naturales permeables compactadas o descargadas.
La práctica moderna es especificar un enrocado bien graduado, de alta compactación en capas más bien delgadas mediante un equipe pesado. En esencia el método de construcción es, por tanto, similar al de una presa de relleno de tierra.
Las masas de roca en estas presas son voluminosas comparadas con el corazón impermeable. Este puede ocupar la parte central, o bien ser inclinado hacia aguas abajo. Se prefiere dicha forma por su facilidad de construcción, pues disminuye las interferencias del tránsito de quipo dentro de la cortina, y en algunos casos el programa receptivo se adapta mejor a las condiciones climáticas del lugar. Debe tenerse presente que la roca puede colocarse en época de lluvia o nieve, mientras que ese trabajo es prácticamente imposible en el corazón, a menos que el proyecto de la cortina tolere fuerte discrepancias en la humedad del suelo o se adopten precauciones especiales.
14
Un caso límite de este tipo es la presa de enrocamiento con pantalla impermeable, sea de concreto o de asfalto, en el parámetro mojado.
También se han construido estructuras con un muro de concreto o de mampostería, lleno o celular, al centro.
15
Un problema típico de las primeras es la junta de la pantalla con la cimentación y empotramientos. Los asentamientos diferenciales son causa de roturas en la unión y por tanto de filtraciones. Este problema es de tal importancia que a menos que sea factible vaciar la presa para realizar reparaciones después de los primeros años de funcionamiento, no es un diseño aceptable. Por razones semejantes, los muros interiores sufren fracturamiento y siempre causan filtraciones.
La compactación de los enrocamientos puede ocasionar que, en un futuro no lejano, dichos problemas se reduzcan a su mínima expresión y resulte una solución conveniente.
La presa de enrocamiento con corazón de tierra compactada, central o inclinada, son las más altas ejecutadas por el hombre. En la URSS, la presa Nurek, actualmente en construcción, tendrá 300m de altura; la de Oroville, en EUA, y Mica en Canadá son de más de 200m sobre el lecho del río.
En México las presas de, El Infiernillo, La Angostura y Netzahualcoyotl alcanzan cerca de 150m. La PRESA Furnas, Brasil, de corazón inclinado, es de 130m aproximadamente.
2.2.5. Presas con Delantal o con Pantalla.
Es frecuente encontrar depósitos de aluvión permeables en él cause del río. Cuando su espesor es menor de 20m, se prefiere llevar el corazón impermeable hasta la roca mediante una trinchera, como es el caso de la presa Álvaro Obregón, Sonora y El Infiernillo sobre el río Balsas. Pero si tales depósitos son gruesos o muy permeables, como ocurre en la presa Abelardo L. Rodríguez, Son. , Y José M. Morales (La Villa), Michoacán, ambos del orden de 80m de espesor y coeficiente de permeabilidad de 10¹ y 1 cm/ seg. En promedio, respectivamente, no sería económico excavar trincheras.
16
Entonces, hay dos tipos de solución:
a) El delantal de arcilla compactada, prolongación horizontal del corazón hacia aguas arriba.
b) La pantalla impermeable formada a base de inyecciones (Serre Poncon, Francia), o bien con pilotes o muros de concreto simple colados in situ (La Villata), o por último, sustituyendo l agrava y arena del río por lodo en una trinchera de 3m de ancho excavada a través del cauce (Las Tórtolas, Durango).
Los métodos de construcción en los tres casos son muy especializados. La presa de Aswan, en Egipto, combina el delantal de tierra compactada con pantallas de inyecciones.
La adopción de los tipos de presas de tierra y roca descritos responde, mas que a una idea preconcebida, a la conveniencia de construir una estructura económica y segura con los materiales que existen en la vecindad de la boquilla, teniendo en cuanta las condiciones geológicas y de cimentación que en ella prevalecen. Por tanto, no es posible anticipar
17
soluciones sin conocer las características de la roca en los empotramientos y el fondo del rió, las propiedades mecánicas de los materiales que se van a usar y los volúmenes explotados, así como las condiciones topográficas, hidrológicas y sísmicas del lugar.
En suma, dicha solución es consecuencia de los estudios de mecánica de suelos y de rocas aplicados con criterio económico en la obtención de la estructura que mejor satisface las finalidades del proyecto y cumple con requisitos mínimos de seguridad sancionados por la experiencia adquirida previamente en este tipo de obras.
18 2.3. DEFINICIÓN DE TÉRMINOS.
La mayoría de los términos que se utilizarán, frecuentemente aparecen ilustrados en la figura y se describen a continuación.
Cortina o presa. Ambos términos se emplearán como sinónimos, para designar la estructura que tiene por objeto crear un almacenamiento de agua o derivar el río. En algunos casos, a fin de evitar excesivas repeticiones, se usará la palabra terraplén.
Boquilla o sitio. Lugar escogido para construir la cortina.
Sección de la cortina. En general, es cualquier corte transversal de la presa; pero a menos que se especifique la estación o escurrimiento de dicho corte, es la sección de máxima altura de la cortina.
Altura de la cortina. Se define como la distancia vertical máxima entre la corona y la cimentación, la cual no necesariamente coincide con la medida desde el cauce del río, por la presencia de depósitos aluviales.
Corona o cresta. Es la superficie superior de la cortina que, en ciertos casos, puede alojar a una carretera o la vía de un ferrocarril; normalmente, es parte de la protección de la presa contra oleaje y sismo, y sirve de acceso a otras estructuras.
Talud. Es cualquier plano que constituye una frontera entre los materiales de la cortina o con el medio circundante. Se medirá por la relación de longitudes entre el cateto horizontal y el vertical; por ejemplo, un talud 3.5:1 significa que la cotangente del ángulo que forma el plano o traza con la horizontal es de 3.5.
Corazón impermeable. También llamado núcleo de tierra, es el elemento de la presa que cierra el valle al paso del agua contenida en el embalse o vaso.
19
Respaldos permeables. Son las masas granulares que integran con el corazón impermeable, la sección de la cortina. Pueden estar formados, como es el caso de la fig. 16, por filtros, transiciones y enrocamientos. NAME: Abreviación del nivel de aguas, máxima extraordinario; Es la evaluación del agua en el vaso cuando la presa está llena y además funciona el vertedor a su máxima capacidad. Hay otros niveles usuales en presas, como son el de aguas máximas ordinarias (CV), el nivel medio de operación, el mínimo de operación y el máximo azolves. La diferencia entre la elevación de la corona y el NAME es bordo libre.
20 2.4. TIPOS DE SECCION.
Es costumbre llamar " sección de una presa de tierra " a la forma que resulta de un corte vertical y transversal del eje de la presa.
La distribución de los materiales debe satisfacer los requisitos de buen funcionamiento y mínimo costo, lo cual depende, para cada sitio en, particular, las propiedades mecánicas, volúmenes y distancias de acarreo de los materiales disponibles y de las características de la cimentación. Las posibles combinaciones de estos factores dan lugar a un sin numero de secciones, pero estas pueden agruparse en tipos, adaptables a los diversos conjuntos de combinaciones que prevalezcan en distintos sitios, de manera que se cumplan satisfactoriamente los requisitos de seguridad y economía. Es frecuente que el diseñador tenga que comparar entre si mas de un tipo de sección y algunas de sus variantes, antes de llegar a la solución mas conveniente.
Desde el punto de vista del funcionamiento de una presa de tierra, importa al ingeniero que lo materiales disponibles en un sitio dado, se distribuyan en la sección de manera tal que resulte una presa capas de soportar los efectos exteriores a que estará sometida y de retener el agua; es decir, una presa estable e impermeable.
La estabilidad depende, principalmente, aunque no únicamente, como se verá más adelante, de la resistencia de los materiales al esfuerzo cortante, mientras que la estanqueidad está íntimamente asociada a su permeabilidad.
Es frecuente que los materiales resistentes al corte, ejemplificados por aquellos que están constituidos predominantemente por granos macroscópicos, sean también los mas permeables e inadecuados para proporcionar estanqueidad y que, los materiales de mínima permeabilidad, capaces de cumplir esta función, ejemplificados por los suelos constituidos principalmente por partículas microscópicas, sean los de mínima resistencia al corte.
En raras ocasiones, se han empleado materiales formados por una combinación natural de partículas gruesas y finas, en proporciones tales que hacen a esos suelos impermeables y, a la vez, a la resistencia al esfuerzo cortante
Atendiendo a las funciones que desempeñan los materiales en la sección, se distinguen aquí los siguientes tipos básicos de secciones de presa de tierra.
21 2.4.1. Sección homogénea.
Constituida en su mayor parte en un solo suelo que proporciona simultáneamente la impermeabilidad y estabilidad necesarias. Se emplean en ese tipo de sección suelos finos, limosos y arcillosos y suelos gruesos con alto contenido de finos, que tienen baja permeabilidad.
Normalmente intervienen, en volúmenes menores, otros materiales auxiliares (enrocamiento, gravas y arenas) que contribuyen a proteger al elemento principal Fig. 17.
2.4.2. Sección graduada
Cuando se dispone de volúmenes suficientes de suelos con diferente permeabilidad, éstos pueden distribuirse en la sección de acuerdo con su permeabilidad, como lo muestra, el esquema. Fig. 18. Se distingue en la sección graduada en varias zonas que desempeñan diferentes funciones: la zona uno, proporciona la impermeabilidad y una parte de la estabilidad, dependiendo de sus propiedades mecánicas, se emplean en ella suelos finos, limosos o arcillosos, o suelos gruesos con alto contenido de finos que les comunica baja permeabilidad. La zona 2 está formada por suelos permeables o semipermeables, cuyas permeabilidades del orden de 100 veces o mayor que la zona 1. Se utiliza grava y arenas de buena calidad o graduación, con bajo contenido de finos o limpias. Esta zona funciona como filtro protector de la zona 1 y proporciona una parte de la estabilidad es además un elemento de transición entre la zona 1 y 3. Esta ultima, formada por materiales pesados y de alta resistencia al corte, aporta, junto con la zona 2, la mayor parte de la estabilidad. La zona 3 se forma con grava gruesa, mezcladas de grava, arena y voleos o enrocamiento. Los enrocamientos auxiliares, indicados con él numero 4, sirven de protección contra erosión del oleaje de la lluvia al resto de la sección, pudiendo algunas veces ser sustituidos en esta función por el material de la zona 3, cuando ésta queda formada por enrocamiento.
2.4.3. Sección Mixta.
Integrada por un corazón impermeable, formadas por materiales como los que se emplean en la sección homogénea, que contribuye poco a la estabilidad, y respaldos muy importantes de enrocamiento o boleos, gravas y arenas, de alta permeabilidad, que aporta la mayor parte de estabilidad, con su alta resistencia al corte. Los respaldos de enrocamiento se separan del corazón, por capas de poco espesor que funcionan como filtros. Si los respaldos están formados por mezclas de gravas, arena y cantos rodados, se puede suprimir los filtros Fig. 19.
Las condiciones de la cimentación comunican a estos tres tipos básicos algunas variantes dignas de mencionarse. En los casos que la cimentación está formada por depósitos permeables de poco espesor, como los suelos
22
gruesos, limpios, éstos se interceptan con una prolongación, hacia abajo, del corazón o elemento impermeable. Esta variante reduce el gasto de filtración a través de la cimentación y el gradiente hidráulico medio. La adición de filtros, construidos con gravas y arenas de buena graduación ya sea en forma de delantales, o filtros al pie de talud de aguas abajo, constituye otras variantes de las formas generales.
Es evidente que, dependiendo de los materiales disponibles en el sitio, pueden hacerse diversas combinaciones de los tres tipos de sección básicos y sus variables.
1. – Materiales permeables.
2. – Material permeable, bien graduado. 3. – Enrocamientos.
4. – Enrocamiento. 5. – Roca fina (grava).
23
CAPITULO III.
ESTUDIOS BÁSICOS
3.1. PRINCIPIOS DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PRESAS DE TIERRA Y ENROCAMIENTO.
Los métodos que se siguen en la actualidad para diseñar una presa de tierra y enrocamiento son el resultado de la experiencia, basada principalmente en la observación del comportamiento de este tipo de estructuras. El origen de este resultado se desconoce. Sin embargo, algunos reportan que los chinos construían ya presas de tierra desde hace unos 2000 años. Desde entonces y hasta principios del presente siglo el diseño era puramente empírico, en muchos casos, como lo ha demostrado el estudio de algunas fallas ocurridas, con un desconocimiento casi completo de las características de los materiales que intervienen en la construcción y de los diversos fenómenos a que dichos materiales estaban sujetos. Tal situación daba por resultado un número considerable de fallas desastrosas y creaba la impresión de que una presa de tierra y enrocamiento no era una estructura digna de confianza en cuanto a seguridad.
En el primer cuarto de este siglo, con la aparición de la Mecánica de Suelos, el diseño de las presas de tierra entró en una etapa en la que el empirismo se ha ido sustituyendo con el conocimiento de las propiedades de los suelos y el análisis de las causas que han provocado las fallas ocurridas en el pasado, para dar lugar a los métodos modernos de diseño y construcción, que permiten al ingeniero realizar ese tipo de obras con tanta o mayor seguridad que la que puede ofrecer una presa de concreto. Esto resulta particularmente cierto en aquellos casos en que las condiciones de la cimentación no permitirían construir una presa de concreto segura.
Lo anterior no implica, en modo alguno que los problemas inherentes al diseño y construcción de las presas de tierra y enrocamiento están totalmente resueltos en la actualidad. Por el contrario, aún queda mucho por hacer a este respecto, como se verá al entrar en materia en páginas subsecuentes, cuya finalidad es exponer, en forma breve, los principios básicos de los métodos actuales de estabilidad de taludes en las cortinas, haciendo especial hincapié en la relación que existe entre dichos y los fundamentos de la Mecánica de Suelos.
3.1.1. Datos para el proyecto.
Los datos necesarios para el proyecto de una presa de tierra que se discuten a continuación, y se describen los estudios de las cimentaciones y las fuentes de materiales de construcción. El detalle necesario y la precisión de los datos estarán gobernados por la naturaleza del proyecto y su propósito inmediato; es decir, si el proyecto se va a utilizar como base de un presupuesto para determinar su costo y viabilidad, si el proyecto es para obtener datos de construcción, o si va a servir para un objeto intermedio.
24
La extensión de los estudios de las cimentaciones y fuentes de materiales de construcción también estará gobernada por la complejidad de la situación.
3.1.2. Bases para el proyecto.
El principio básico de proyecto es construir una estructura, satisfactoria y funcional al costo total mínimo. Se debe dar la debida consideración a las necesidades de mantenimiento, de manera que las economías obtenidas en el costo inicial de construcción no resulten en costos excesivos de mantenimiento. Estos últimos casos variarán con el tipo de protección de los taludes de aguas arriba y aguas abajo, los dispositivos de drenaje, y con el tipo de estructuras accesorias y el equipo mecánico. Para que el costo sea mínimo, el dique debe proyectarse para la máxima utilización de los materiales más económicos de que se disponga, incluyendo los materiales que deban excavarse para sus cimentaciones y las de las estructuras auxiliares.
Las presas de tierra y enrocamiento deben ser seguras y estables durante todas las fases de la construcción y de la operación del vaso. Para lograrlo, se deben satisfacer los siguientes requisitos:
1. El terraplén debe estar asegurado contra el rebasamiento durante las avenidas de proyecto, disponiendo suficiente capacidad en el vertedor de demasías y en las obras de toma.
2. Los taludes de los terraplenes deben ser estables durante la construcción y en las condiciones que se presenten durante la operación del vaso, incluyendo el rápido desembalse en el caso de las presas de almacenamiento.
3. El terraplén deberá proyectarse de manera que no produzca esfuerzos excesivos la cimentación.
4. Se deben controlar las filtraciones a través del terraplén, de la cimentación y estribos, para que no se produzca erosión interna y por lo mismo no haya derrumbes en el área donde las filtraciones emergen. La cantidad de agua perdida por tracción debe controlarse para que no interfiera con las funciones proyectadas para la obra.
5. El terraplén debe estar asegurado contra el efecto de rebasamiento por el oleaje.
6. El talud de aguas arriba debe estar protegido contra la erosión producida por oleaje, y la corona y el talud de aguas abajo deben estar protegidos contra erosión producida por el viento y la lluvia.
Las presas de tierra proyectadas para satisfacer las anteriores condiciones serán permanentemente seguras, siempre que se empleen los métodos de construcción y de control correctos.
25 3.2. NORMAS GENERALES DE CONSTRUCCIÓN
El proceso de construcción de una presa de tierra comprende las siguientes etapas:
1. Limpia de la cimentación y desvío del río.
2. Excavación de trincheras, a través de depósitos permeables, cuando éstas son necesarias.
3. Tratamiento de la cimentación.
4. Colocación de los materiales que constituyen al cuerpo de la cortina.
Los procedimientos de construcción que se sigan en cada una de las etapas, deben satisfacer todos los requisitos de diseño estudiados con anterioridad. Es por ello conveniente tratar brevemente algunos aspectos relativos a la construcción, estableciendo los criterios a seguir en cada una de sus etapas.
3.2.1. Limpia de la cimentación
Estos trabajos tienen por objeto garantizar el buen contacto entre las zonas impermeables de la presa y la roca de su cimentación, eliminando, mediante excavación, la tierra vegetal ó la roca que se encuentra alterada ó fracturada en la superficie. La profundidad de excavación en la roca intemperizada debe establecerse exclusivamente en función de las condiciones locales, ya sea que éstas hayan sido descubiertas durante el estudio geológico previo ó que se manifiesten al iniciarse las excavaciones.
Se especifica por lo general una excavación mínima de 1.50 m. y hasta de
3 m. de profundidad, para remover la roca suelta ó fuertemente fisurada, que se encuentre en la zona del contacto de los materiales impermeables; aunque, en ocasiones se requiere llegar a mayores profundidades para encontrar la roca sana, en algunas zonas del área de contacto; tal es el caso de la presa de la Vega, que muestra la figura 10. Las especificaciones sobre este particular no deberán ser nunca inflexibles y, aun en el caso de disponer de amplios estudios previos, el ingeniero deberá estar siempre a la expectativa de condiciones geológicas imprevistas.
3.2.2. Desvió.
Es común que, simultáneamente con las operaciones de limpia de la cimentación se inicien los trabajos necesarios para desviar la corriente del río, en preparación de los trabajos de excavación subsecuentes que haya necesidad de ejecutar. La obra de desvío consiste generalmente en uno ó varios túneles a través de la ladera, que podrán utilizarse posteriormente para alojar la obra de toma, ó bien en zanjas a cielo abierto excavadas al pie de alguna ladera que permitan construir un canal de desvío localizado sobre roca sana; es frecuente que dicho canal se emplee también para alojar los conductos de la obre de toma cuando se trata de conductos que pasan a través del cuerpo de la cortina; véanse los esquemas de las figuras 11 y 12. En todos estos trabajos de excavación en la roca, debe restringirse en lo posible el empleo de dinamita, ya que el abuso de los explosivos se traduce en incremento importante del fisuramiento, lo cual empeora las
26
condiciones de permeabilidad de la cimentación. Una vez terminados todos los túneles ó tajos de desvío, se construyen las ataguías de aguas arriba y aguas abajo para conducir el agua del río a través de la obra de desvío y mantener en seco el sitio, de manera que puedan realizarse la operaciones de limpia y preparación de la cimentación en la zona del cauce. Dichas ataguías son pequeñas presas construidas de enrocamiento ó de grava y arena e impermeabilizadas con una pantalla de material arcilloso ó limoso, en el lado mojado correspondiente; a menudo, las ataguías pasan a formar parte de los respaldos ó zonas permeables de la presa posteriormente.
3.2.3. Colocación de los materiales en el terraplén.
Una vez que la cimentación se encuentra en las condiciones deseadas se procede a colocar los materiales que constituirán el terraplén de la cortina. En esta etapa, es importante cerciorarse de que dichos materiales se coloquen en las condiciones especificadas por el diseñador, a fin de lograr que sus propiedades mecánicas sean del mismo orden de magnitud que las previstas en el diseño.
Hasta el presente estas especificaciones han producido resultados satisfactorios, ya que, el contenido de humedad con que se colocan estos materiales es suficientemente alto para facilitar el acomodo a los asentimientos diferenciales sin agrietarse y, el grado de saturación, que resulta generalmente menor de 85 %, permite asegurar que la mayor parte de los asentamientos debido a la compresión de los materiales del terraplén se produzcan mediante el proceso de construcción.
Las presiones de poro que se desarrollan en los materiales impermeables durante la construcción están, de antemano, consideradas en los análisis de estabilidad para condiciones iniciales, basados en los resultados de las pruebas triaxiales del tipo rápido, según se explico con anterioridad.
Cuando se tienen cimentaciones compresibles de las que se esperan deformaciones posteriores a la construcción y existe el riesgo de asentamientos transversales del corazón impermeable es deseable obtener materiales capaces de adaptarse a las deformaciones diferenciales que se producirán en el futuro, sin que se desarrollen agrietamientos, para tal fin es conveniente aumentar el contenido de agua en colocar los materiales del corazón impermeable a valores que exceden de la humedad óptima de 2 en 2 al 4 %. En las zonas permeables de la cortina, constituidas por grava y arena, debe alcanzarse una compacidad relativa superior al 70 % con objeto de garantizar que los asentamientos de estas zonas sean mínimos y que no se reducirán problemas de licuación.
Los enrocamientos deben colocarse a volteo, procurando que la roca contenga el mínimo posible de finos, por lo que es recomendable, en caso de que el banco de roca este contaminado de limos y arcillas, se someta la roca a un lavado previo antes de depositarse en la cortina.
27
CAPÍTULO IV.
NOCIONES PRELIMINARES PARA LA ESTABILIZACION DE LAS CORTINAS EN PRESAS DE TIERRA Y ENROCAMIENTO.
4.1. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES
Al hacer el diseño de una presa de tierra y enrocamiento, el ingeniero debe tener presentes una serie de propiedades de los materiales de que dispone para formar el cuerpo de la presa y de los que existen en su cimentación. Podrían mencionarse, por ejemplo, propiedades como la permeabilidad, resistencia al corte, la compresibilidad etc. Las cuales tienen un amplio rango de variación en los diferentes tipos de suelos. De aquí que sea conveniente, antes de entrar en los problemas de estabilización, tratar acerca de la clasificación de suelos con el objeto de tratar con diferentes factores que afectan sus propiedades mecánicas, al mismo tiempo que se establezca una convención para ordenarlos en grupos con características semejantes.
De las diversas convenciones que existen para clasificar a los suelos, se ha elegido aquí el sistema conocido como "Sistema Unificado de Clasificación de Suelos"(S.U.C.S), no sólo por considerársele uno de los más descriptivos sino que, además, por haber sido adoptado por varias organizaciones interesadas en este campo de la ingeniería, facilita el intercambio de información sobre el tema.
Con objeto de explicar mejor el sistema de clasificación antes mencionado, y que su aplicación sea de utilidad práctica para el ingeniero, es necesario describir primero los factores de los cuales dependen, principalmente, las propiedades mecánicas que a éste le interesan.
4.1.1. Granulometría.
Las propiedades mecánicas de los suelos están íntimamente relacionadas con el tamaño y la forma de las partículas que los integran.
Un suelo puede estar constituido predominantemente por partículas de tamaños muy semejantes entre sí, o bien, puede encontrarse con él una gran diversidad de tamaños, variando desde aquellos que no son visibles aun con los mejores microscopios ópticos (partículas coloidales) hasta piedras de 8 a 10 cm. Si se hace pasar una porción de suelo a través de una serie de mallas o tamices de aberturas conocidas, como los que indica la tabla 1, en cada una de ellas se irán deteniendo partículas cuyo tamaño es mayor que la abertura de la malla que los retiene y menor que la inmediata superior.
28
Esta cifra corresponde al número de hilos por pulgada que forman a la malla. Tabla. I. – Aberturas de mallas del sistema Tyler.
De esta manera puede establecerse la proporción relativa, en peso, de los diversos rangos de tamaño que constituyen el material en cuestión.
Cuando tienen dichas proporciones para un suelo dado se dice que se conoce su granulometría, o su textura.
4.1.2. Graduación.
Cuando un suelo está constituido por partículas de gran variedad de diámetros, se dice que el suelo es de buena "graduación". La curva granulométrica es continua y suave. Si la curva presenta tramos horizontales o verticales significa, respectivamente, que falta o predomina cierto rango de tamaños y se considera un suelo de "mala graduación".
Una línea vertical significa que ese suelo está formado por partículas de tamaño muy semejante entre sí y se conoce como "suelo uniforme". Un suelo uniforme es generalmente más poroso y ligero y menos resistente que otro bien graduado.
4.1.3. Forma.
Independientemente de su tamaño, las partículas del suelo pueden tener formas redondas, subredondas, angulares o laminares, como se muestra en la figura. La forma influye en las propiedades mecánicas; por ejemplo: un suelo compuesto en su mayor parte por granos gruesos (mayores de 4.76 mm.) de forma angular, exhibe una mejor trabazón entre sus partículas que otro de igual granulometría pero de granos redondos. Esto se traduce en una mayor resistencia al desplazamiento relativo de las partículas, en el primer caso. Por lo que respecta a los suelos de las partículas finas, la forma es aún más importante.
Los coloides de forma laminar alargada poseen propiedades electroquímicas que son mucho más intensas que en los de forma redondeada. Esta diferencia se refleja en las propiedades plásticas de los suelos finos.
29 4.1.4. Plasticidad.
Es un hecho bien conocido que, al mojar una tierra constituida por limo y arcilla, se vuelve blanda, formando lodo que al secarse se endurece en grado variable o se vuelve polvo.
Estos sencillos fenómenos son, en realidad de naturaleza, físico químico muy complejo, y que constituye la base de las pruebas desarrolladas por Atterberg para estudiar las variaciones de la consistencia de los suelos finos con los cambios de humedad. Atterberg introdujo los siguientes conceptos que se conocen como " límites de consistencia", o de "Atterberg".
4.1.5. Estructura.
Además de la granulometría, la graduación y la plasticidad, la manera como se asocian las partículas entre sí, es decir, la estructura del suelo, es también un factor importante en las propiedades mecánicas, se distinguen tres tipos de estructura: " La granular”, "La apanalada " y la " La flocúlenla"; que se muestra en la figura La primera es propia de materiales formados principalmente por granos mayores que los de limo; la segunda es típica de suelos limosos, uniformes, de estructura suelta, y la ultima de arcillas coloidales floculentas depositadas en agua.
