CAPITULO VI DISEÑO DE PRESAS DE TIERRA Y/O ENROCAMIENTO A.-
GENERALIDADES GENERAL IDADES
El proyectista procederá al diseño de la presa de tierra y/o enrocamiento considerando que cuenta con la información completa sobre la topografía del vaso y boquilla; la geología y geotécnica del vaso y boquilla; localización de canteras y propiedades de los materiales de construcción; la definición de la función de la obra; así como datos sobre clima; niveles de operación y máxima del embalse; etc.
B.-
TIPOS DE PRESAS
Los tipos de presas comúnmente empleados son: -
Presas de tierra de sección homogénea. Presas de tierra de sección zonificada. Presas de enrocamiento. enrocamiento .
Las presas de sección homogénea están compuestas de una sola masa de suelo compactado, con otros elementos que complementan las características necesarias para proveer a la estructura la estabilidad requerida. Las presas de sección zonificada están formadas por un núcleo impermeable y respaldos permeables permeables o drenados drenados libremente. libremente. En la figura No. 1 se muestran secciones típicas de ambos tipos de presas.
C.-
CARACTERISTICAS CARACTERISTICAS GEOMETRICAS GEOMETRICAS DE LAS LA S PRESAS PRESAS Y OTROS COMPONENTES.
Las características características geométrica de una presa son: Corona, altura, altura, bordo bordo libre, nivel de aguas máximas ordinarias y extraordinarias, taludes exteriores, núcleo impermeable, respaldos, filtros y protecciones contra oleaje y lluvia. Ver figuras Nos. 2 y 3.
C:\Informes\INF_00\IF076_00.doc
D.-
FACTORES QUE DETERMINAN DETERMINAN LA GEOMET GEOMETRIA RIA DE LA PRESA PRESA Y OTRAS CARACTERI CARA CTERISTICAS STICAS DE LA ESTRUCTURA ESTRUCTURA
Como se ha descrito en el capítulo sobre la selección del tipo de presa, existe un grupo de factores que determinan la elección de la sección de la estructura, así como la definición de las obras que requiere para asegurar la estabilidad de la estructura, contra la ocurrencia de fenómenos de erosión interna y deslizamiento de taludes entre otros. En los siguientes párrafos se presentan los criterios de diseño adoptadas para cada caso.
a)
Función Funció n de la Obra En el ejemplo de la figura No. 4 se presenta una cimentación permeable conformada por depósitos de grava y arena y las alternativas de presas que podrían ser implementadas implementadas si la función de la obra es para Regulación de crecientes y para Almacenamiento de agua potable. En el primer caso no se requiere control del gasto que fluye bajo la presa a través del depósito permeable, mientras que en el segundo caso el diseño debe considerar disminuir dicho gasto, para que no afecte el volumen volumen de almacenamiento almacenamiento del reservorio. reservorio. ( Se ha previsto previsto la construcción de una trinchera de lodos.)
b)
Cimentación La cimentación de la presa comprende el lecho del cauce así como los estribos. La cimentación cimentación debe proporcionar proporcionar apoyo estable para el cuerpo de la presa en condiciones de saturación y diferentes cargas actuantes (Peso de la presa, empuje del agua almacenada, componente horizontal del sismo, etc.); así como tener una elevada resistencia a la filtración para evitar una pérdida excesiva de agua. Las cimentaciones se pueden clasificar en 3 tipos: b.1 b.2 b.3
Cimentación de roca. Cimentaciones Cimentaciones grava y arena. Cimentaciones Cimentaciones de limo y arcilla.
Existe un cuarto tipo representados por los depósitos fluvioglaciares, fluvioaluviales, coluviales, aluviales, etc. Compuestos por lentes interestratificados interestratificados o estratos irregularmente estratificados compuestos por capas de arena, arcilla, arena fina, gravas de extensión y espesor variables. En este caso para el proyecto proyecto de presas presas pequeñas, a pesar de las condiciones variables que presentan este tipo de cimentación, C:\Informes\INF_00\IF076_00.doc
se pueden considerarlas dentro de una de las tres clasificaciones que se mencionaron.
Para el tratamiento de cualquier tipo de cimentación son válidas las siguientes recomendaciones generales: -
-
El tratamiento mínimo para cualquier cimentación consiste en la limpieza del área de cimentación de la capa superficial orgánica y otros materiales inadecuados y si la capa superficial es relativamente delgada, se limpia hasta la roca fija. Cuando no se emplee un dentellón, siempre debe proyectarse una zanja para unir la zona impermeable del cuerpo de la presa a la cimentación. El ancho mínimo es de 6.0 m.
b.1
Cimentación de roca (inclu yendo las lutitas) No presentan problemas de resistencia para las presas pequeñas de tierra. El principal problema que afecta las cimentaciones de roca, son las filtraciones que ocurren a través del sistema de grietas, diaclasas, planos de estratificación y planos de fallas. Las medidas correctivas que se adoptan para disminuir el flujo de agua a través de la cimentación son: -
Construcción de un colchón impermeable aguas arriba del pie de presa.
-
Pantalla de inyecciones de una sola línea.
Las inyecciones por su costo deben aplicarse para casos específicos cuando se tengan altas filtraciones y no se pueda construir un colchón o blanket impermeable.
b.2
Cimentaciones de arena y grava 1)
Los problemas que se tienen que resolver en cimentaciones de grava y arena son los siguientes:
-
Pérdidas significantes de agua a través de la cimentación. Fenómenos de tubificación. Fenómenos de Licuación de arenas limpias saturadas (generalmente finas y uniformes) con una densidad relativa menor de 50%, determinada por ensayos SPT.
-
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2)
Magnit ud de las fil traciones subt erráneas La magnitud de las filtraciones subterráneas se estima aplicando la fórmula de Darcy : Fig. 5
Q=KiA Donde: Q
=
Volumen en m3/seg y por metro de presa.
K
=
Coeficiente de permeabilidad obtenido con ensayos de campo, m/seg.
i
=
Gradiente hidráulico = h / l ; h es la carga hidráulica del reservorio; l es la trayectoria del flujo.
A
=
Area bruta de la cimentación a través de la cual ocurre el flujo.
i = h/L Q = K 3)
; h Z/L
A = Z x 1 = Z ( m 2 ) m3 / seg / m.
Fuerza de Filtración En la Fig. 6 se presentan los componentes de la fuerza de filtración en la cimentación permeable. -
-
-
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Punto de Entrada: La fuerza de filtración F1 aumenta el peso sumergido Ws, obteniéndose la resultante R1. Punto bajo la presa: La fuerza de filtración F2 se hace mayor por incremento de la velocidad del flujo. Punto cercano a salida: La fuerza de filtración F4 tiende a levantar el suelo. Si F4 es mayor que el peso del suelo entonces la erosión progresaría hacia atrás a lo largo de la línea de flujo, permitiendo la salida del agua almacenada y la falla de la presa, produciendo el fenómeno de tubificación.
Existen dos formas de fallas por tubificación: En la primera, la falla ocurre por un levantamiento repentino de la cimentación en el pie aguas abajo de la presa y generalmente ocurren en la primera vez que se llena el vaso. En la segunda, la falla ocurre por un proceso lento y acumulativo de erosión subterránea, después que la presa ha estado en servicio un tiempo. Como es difícil determinar cuando una tubificación va a producir falla, se recomienda proyectar la estructura para que no se produzca la tubificación.
4)
Tratamiento de las cimentaciones de grava y arena El tratamiento de las cimentaciones permeables se realiza mediante:
-
Dentellones de arcilla Cuando la profundidad del basamento rocoso sea de pocos metros, es recomendable detener las filtraciones de la cimentación permeable por medio de un dentellón que llegue hasta el basamento rocoso u otro material impermeable.
Ver Fig. 7 Los dentellones deben localizarse a una distancia de la línea central de la presa, asegurando que la resistencia del material impermeable correspondiente al núcleo de la presa, sea cuando menos igual a la resistencia ofrecida por el dentellón. El ancho de la zanja del dentellón está dado por la fórmula:
B = H – Z Donde: B H Z
= = =
Ancho del fondo de la zanja del dentellón Carga hidráulica del reservorio Profundidad de la zanja del Dentellón bajo la superficie del terreno.
El ancho mínimo B es 5 m. para permitir la operación del equipo mecánico. En el caso que los dentellones no alcancen el material impermeable por razones económicas, se pueden construir C:\Informes\INF_00\IF076_00.doc
dentellones de arcilla parciales ( Fig. 8 ), pero deben tenerse en cuenta lo siguiente: Un dentellón que se profundice el 50 % de la profundidad del estrato permeable, solamente reducirá el 25% de las filtraciones. Para reducir el 50% del volumen de filtraciones es necesario profundizar hasta el 80% de la profundidad del estrato permeable. Un dentellón parcial puede ser efectivo estratos superficiales permeables de una cimentación interestratificada.
-
Blanket de material imp ermeable .
Es una capa construída como una prolongación de la zona impermeable de la presa, hacia el lado aguas arriba. El blanket o colchón se usa cuando el espesor del material permeable hace antieconómico llevar el dentellón hasta la roca o material impermeable. (Ver Fig. 9 )
.
Se emplean también combinados con dentellones parciales.
.
Son efectivos para disminuir el volumen de las filtraciones, pero no se puede confiar que reducirán completamente las fuerzas de filtración y evitar las fallas por tubificación.
.
El espesor del blanket se puede considerar el 10% de la carga hidráulica sobre este, con un espesor mínimo de 1.00 m.
.
La longitud será calculada considerando el porcentaje de disminución de pérdidas de filtración que se desea obtener. La mejor manera de calcular la longitud de un blanket será por tanteos, trazando redes de flujo con diferentes longitudes y determinando la extensión del blanket que permita obtener la filtración deseada.
También, la longitud del Blanket se obtiene aplicando la fórmula de Dachler y Cambefort : (Fig. 10)
Donde
: Qo KoH
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=
0 . 88
+
1 B
+
D
B
1
Qo
=
Gasto de filtración m3/seg
Ko
=
Permeabiliad m/seg. (depósito permeable)
H
=
Carga agua embalse, m.
B
=
Ancho de la presa, m.
B1
=
Longitud del colchón impermeable, m.
D
=
Espesor del depósito permeable, m.
-
Filtros y Blanket de drenaje: Se colocan aguas abajo de la cimentación permeable con el objeto de permitir la descarga de las filtraciones y controlar la ocurrencia de fallas por tubificación. (Ver Fig. 11) Se incluyen Blanket horizontal de drenaje en los siguientes casos:
-
-
Cimentaciones permeables relativamente homogéneas que no tienen dentellones efectivos de arcilla.
-
Cimentaciones permeables cubiertas por capas delgadas impermeables.
Drenes de talón y zanjas de drenaje Tienen la función de recoger y evacuar el agua de filtración captada por el blanket permeable a través de un tubo de descarga exterior.
(Ver Fig. 12 y 13 ) Los drenes son tubos de 6” de diámetro mínimo.
-
Pozos de drenaje Se emplean cuando el espesor de la capa impermeable sobre suelos areno-gravosos es menor que la carga h del reservorio.
(Ver Fig. 14 y 15) Para evitar la ocurrencia de fenómenos de erosión interna se recomienda que la profundidad de los pozos debe ser igual a la carga hidráulica del reservorio. Si el estrato impermeable es igual o mayor que la carga hidráulica del reservorio, no necesita tratamiento de la cimentación para evitar la tubificación. C:\Informes\INF_00\IF076_00.doc
Si el estrato impermeable es menor que la carga hidráulica del reservorio y además es muy grueso para proyectar zanjas de drenaje, o la cimentación permeable está estratificada, entonces es necesario instalar pozos de drenaje.
b.3
Cimentaciones de Limo y Arcill a La solución más práctica para las cimentaciones de limo y arcilla saturadas es diseñar presas con taludes más inclinados, con el propósito de aumentar la superficie de deslizamiento, y disminuir los esfuerzos cortantes que actúan en ella, para incrementar el factor de seguridad contra deslizamiento.
(Ver Fig. 16) c)
Materiales Teniendo en cuenta los materiales disponibles, el proyectista debe estudiar varias secciones de presas considerando la inclusión de los suelos que podrían explotarse para la construcción. El diseño de la estructura así como el análisis de los costos para cada caso, permitirá seleccionar la alternativa económica. Por ejemplo, si se tienen dos tipos de materiales para conformar la estructura de la presa: una arena arcillosa y un limo de baja plasticidad; el ingeniero proyectará una sección homogénea con la arena arcillosa, considerando un filtro en el pie del talud aguas abajo, lo cual debe dar a la estructura una aceptable estabilidad, si se asume que la cimentación es una roca sana poco agrietada. De otro lado el proyecto de la presa considerando el limo de baja plasticidad debe tener un filtro vertical unido a otro en la base, dado que este material es susceptible a la tubificación.
E.-
DISEÑO DE LA PRESA a)
Anch o de la Corona
La corona debe tener un ancho mínimo de 4.00 m para facilitar el acceso del equipo durante la construcción y el rodamiento de vehículos durante la operación de la presa. Asimismo protege del secado al núcleo arcilloso, para lo cual el espesor de la cubierta debe ser de 30 cm. o mayor, con un bombeo transversal para el escurrimiento del agua de lluvia.
b)
Bordo Libre
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Está dado por HBL = Hv + Hr + ∆ H + Hs
Donde: HBL
=
Bordo libre
Hv
=
Amplitud del oleaje generado por viento.
Hr
=
Altura de rodamiento de las olas sobre el talud
=
Asentamiento máximo de la corona
=
Margen de seguridad
∆ H
Hs
-
La fórmula de Stevensen (modificada por Molitor, 1935) calcula Hv :
Hv
=
3 .22
VF
+
76 .0
−
26 .9
4
FV (cm )
Donde: V F
-
= =
La altura de rodamiento Hr se calcula para taludes comprendidos entre 1.5:1, como sigue:
Hr 0.33 H v Hv
-
Velocidad del viento Km/hora Distancia de la presa al punto mas remoto del embalse, km.
Protecció n Talud Enrocamiento a volt eo losas de concreto
Para terraplenes de limo y arcilla, el asentamiento
∆ H
de la sección
se calcula a partir del valor Cc dado por Terzaghi y Peck y Nishida obtenido con los valores de W y LL. C:\Informes\INF_00\IF076_00.doc
-
Finalmente el valor de Hs debe cubrir posibles errores en la evaluación de la creciente máxima probable, que puede generarse en la cuenca y su valor depende del tipo de vertedor y la extensión de los registros pluviométricos en la zona.
c)
Estabilidad de taludes Cuando la presa tiene una altura menor de 10 m., no se requiere efectuar detallados cálculos, para verificar la estabilidad de los taludes, salvo el caso de que la cimentación tenga baja resistencia al corte o sea altamente comprensible. Si los materiales de construcción son arcillas, debe verificarse la estabilidad determinando la cohesión, empleando especímenes compactados con las especificaciones de construcción.
c.1)
Taludes recomendados para presa de secció n homog énea for mada con material cohesivo ( ø = 0 ) Por el Dr. Raúl Marsal Al tu ra, H, En m.
Talud
Bordo Libre Hbl, en m.
FS / C
10.0 10.0 10.0 10.0 8.0 8.0 8.0 8.0 6.0 6.0 6.0 6.0 4.0 4.0 4.0 4.0 2.0 2.0 2.0 2.0
3.0:1 2.5:1 2.0:1 1.5:1 3.1:1 2.5:1 2.0:1 1.5:1 3.0:1 2.5:1 2.0:1 1.5:1 3.0:1 2.5:1 2.0:1 1.5:1 3.0:1 2.5:1 2.0:1 1.5:1
1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0.8 0.8 0.8 0.8 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
0.493 0.446 0.396 0.346 0.616 0.556 0.490 0.430 0.835 0.753 0.660 0.573 1.835 1.155 1.030 0.855 2.94 2.69 2.37 1.76
El peso volumétrico asumido es igual a 2 Ton/m3
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Fs
Factor de seguridad
C
Cohesión, en Ton/ m2
La cohesión de materiales arcillosos será determinada en el Laboratorio empleando especímenes compactados a la densidad especificada para la construcción. Si los materiales de construcción son limos, arenas o gravas, se elegirán valores del ángulo de fricción como el propuesto por Terzaghi y Peck en la siguiente tabla:
Material
Angulo de Fricción Suelto Denso
Arena, Granos redondeados, uniforme Arena, Granos angulosos, bien graduada Gravas arenosas Arena limosa Limo Orgánico Nota :
27.5
34
33.0
45
35.0 27 - 33 27 - 30
50 30 – 34 30 - 35
Los valores del ángulo de fricción corresponden a una presión confinante efectiva menor de 5 kg/cm 2
Para el caso de enrocados se recomienda valores del ángulo de fricción ø, entre 40º y 50º
C.2
Taludes recomendadas para las presas de tierra homogéneas sobr e cimentaciones estables por el USBR (USA). Caso
Tipo
Propósi to
A
Homogénea u Homogénea modificada
B
Homogénea Almacenamiento modificada
Sujetas a desembals es rápidos
Regulación o No........... almacenamiento
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Si .............
Clasificado de los suelos terraplén GW, GP, SW, SP.................. GC, GM, SC, SM.................. CL, ML............ CH, MH.......... GW, GP, SW. SP.................. GC, GM, SC. SM................. CH, MH..........
Talud de aguas arriba
Talud de aguas abajo
PERMEABLE NO ADECUADO 2½:1 3:1 3½:1
PERMEABLE NO ADECUADO 2:1 2½:1 2½:1
PERMEABLE NO ADECUADO 3:1 3½:1 4:1
PERMEABLE NO ADECUADO 2:1 2½:1 2½:1
1
2.
C3
Taludes que recomienda el USBR para las presas pequeñas de tierra de sección zoni ficada en cimentaciones estables.
Caso Tipo
A
B
C
C4
Velocidades de desembalse de 15 cm o más después de períodos prolongados de almacenamiento a niveles elevados en el vaso. Los suelos OL y OH no se recomiendan para las porciones mayores de tierra homogéneas. Los suelos Pt son inadecuados.
Propósi to
Sujetas a Clasificación del Clasificaci desembalse material exterior ón del rápido material del núcleo Compuesta Cualquiera No crític o No es crític o; No es con el relleno de roca, crítico, núcleo GW, GP, SW GC, GM, “mínimo” (gravoso) o SP SM, CL, (gravoso) ML, CH o MH. Compuesta Regulación No........... No es crít ic o; GC, GM.. con el o almacenarelleno de roca, SC, SM.. núcleo miento GW, GP, SW CL, ML... máximo (gravoso) o SP CH, MH... (gravoso_ Compuesta AlmacenaSi............ No es crít ic o; GC, GM.. con el miento relleno de roca, SC, SM... núcleo GW, GP, SW CL, CM... máximo (gravoso) o SP CH, MH... (gravoso)
Talud de Talud de aguas aguas arriba abajo 2:1
2:1
2:1 2 1/ 4:1 2 1/ 2:1 3:1
2:1 2 1/ 4:1 2 1/ 2:1 3:1
2 1 /2:1 2 1/ 2:1 3:1 3 1 /2:1
2:1 2 1/ 4:1 2 1/ 2:1 3:1
1
En la Fig. se muestran los tamaños “mínimo y máximo” de los núcleos.
2
Los desembalses “rápidos” son de 15 cm. por día o mayores después de almacenamientos prolongados a altos niveles en el vaso.
3
Los suelos OL y OH no se recomiendan para las porciones mayores de los núcleos de las presas de tierra. Los suelos Pt son inadecuados.
4
El desembalse rápido no afectará el talud de aguas arriba de un terraplén compuesto que tenga una cubierta permeable grande de lado de aguas arriba.
Análisis de estabilidad de Taludes para Presas de sección zonificada en cimentaciones poco estables. Este caso requiere el análisis de estabilidad de Taludes, mediante círculos de falla, teniendo en cuenta las presiones intersticiales u del flujo de agua subterránea.
C:\Informes\INF_00\IF076_00.doc
d)
Filtros Las funciones de estos elementos de la sección de la presa son:
-
Garantizar el drenaje del flujo de agua que discurre a través de la presa y de la cimentación.
-
Proteger contra la erosión interna.
Para cumplir la primera función es necesario que el material filtrante tenga permeabilidad de 50 a100 veces mayor que el suelo que protege. Para tal efecto:
d 15 ( filtro
)
d 85 ( suelo
)
>
5
Por otra parte, para proteger al suelo contra la erosión interna o tubificación debe satisfacerse el siguiente criterio granulométrico:
d 15
( filtro
)
d 15
( suelo
)
>
5
Ver ejemplo en la figura 14 siguiente.
e)
Protección de taludes El talud aguas arriba se protege con enrocados para evitar la erosión por oleaje o lluvia. El enrocado se construye con fragmentos, cuya dimensión depende principalmente de la amplitud máxima Hv de la ola y de un peso mínimo, como se detalla en el siguiente cuadro: AMPLITUD MAXIMA DE LA OLA, Hv, EN m.
DIAMETRO MAXIMO DE ROCA , EN cm.
PESO MINIMO DE ROCA, EN Kg.
ESPESOR DE LA CAPA, EN m.
0.5 1.0 1.5 2.5
15 25 40 55
5 25 80 190
0.25 0.50 0.75 1.0
C:\Informes\INF_00\IF076_00.doc
