Aplicación de Compactación en Presas de Tierra

 

Aplicación de compactación en Presas de tierra 1. Obje Objeti tivo vo

Entender la importancia del uso de compactación en las obras civiles y sus diferentes ensayos de laboratorio e in situ 2. Marco Marco teóric teórico o 2.1.Introducción.

Los embalses de agua se proyectan y construyen con fines de almacenar  grandes volúmenes de este valioso recurso hídrico en épocas estacionales de lluvias, en las que el consumo de agua es inferior a la disponibilidad, para posteriormente emplear estos volúmenes almacenados en épocas de estiaje. Los Lo s emba embalse lses s de agua agua se cons constru truyen yen y emple emplean an esenc esencial ialme ment nte e para para los siguientes casos: - Riego de terrenos con fines agrícolas - Afianzamiento hídrico de centrales hidroeléctricas - Uso en agua potable - USO Mixto Para poder lograr estos embalses artificiales se construyen presas de tierra o concreto, normalmente en el curso de un río o quebrada o sobre elevando los bordes de una laguna. Dado el enorme valor que tiene el recurso hídrico almacenado, el manejo de las aguas debe poder ser adecuadamente controlado, por tal razón en el proyecto de un embalse de agua deben incluirse estructuras que permitan lo siguiente: 1. Efectuar una descarga de agua de servicio 2. Desc Descarg argar ar los sólid sólidos os sedim sedimen enta tados dos que que se acumu acumule len n en el fondo fondo del del embalse.

 

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los

volúmenes

de

agua

que

excedan

la

capacidad

de

almacenamiento Las La s dos dos primer primeras as func funcion iones es indic indicad adas as se logran logran median mediante te cond conduc uctos tos de desc de scarg arga a indepe independ ndien iente tes s o uno uno solo solo que que cumpl cumpla a ambas ambas func funcion iones es y que requieran una operación controlada. La tercera tercera función función se logra logra mediant mediante e estructu estructuras ras de alivio alivio (aliviad (aliviaderos eros)) por  rebose con su correspondiente conducto de descarga, que no requieren control. El control de las estructuras de descarga sólo se puede lograr mediante equipos hidromecánicos, hidromec ánicos, los que a su vez requieren para su funcionamiento funcionamiento de algunos servicios auxiliares. Aunque del monto total para la construcción de una presa, la parte correspondiente al equipamiento hidromecánico rara vez supera el 10%, la Importan Importancia cia de este este equipa equipamien miento to para lograr lograr un control control y manejo manejo adecuado de las aguas embalsadas es crucial. 2.2.Presas.

Una presa es una estructura que se emplaza en una corriente de agua para embalsarla y/o desviarla para su posterior aprovechamiento o para proteger una zona de sus efectos dañinos. Las presas permiten controlar y disponer de agua con los siguientes fines: ► Consumo humano ► Consumo industrial ► Riego ► Control de crecidas ► Navegación ► Protección de márgenes ► Generación Eléctrica ► Turismo, Esparcimiento y Recreación

 

► Piscicultura ► Contención de aluviones

2.2.1. Clasificaci Clasificación ón de las presas

Existen varias clasificaciones de las presas: atendiendo a su altura, a sus funciones o a otras características, sin embargo, la clasificación más común es de acuerdo a sus materiales de construcción y su concepción estructural.  Clasificación según tipo de material

 Tipo a: Materiales sueltos (tierra y roca) - Tierra: Relleno hidráulico; sección homogénea compacta - Materiales graduados - Enrocamiento

 

 Tipo b: Materiales cementados (concreto y mampostería) - Gravedad: Masiva; aligerada - Contrafuertes: Machones; losas planas; arcos o bóvedas múltiples - Arco y bóveda

2.3. Presas de materiales sueltos presas s muy muy versá versáti tile les s   que se Las La s pr pres esas as de mate materi rial ales es suel suelto tos s son son presa

cons constru truyen yen prácti práctica camen mente te con cualqu cualquie ierr materi material, al, por por lo que que son las más abun ab unda dante ntes s en el mun mundo do.. Ti Tiene enen n secci sección ón trape trapezo zoida idall y son mucho mucho menos menos es esbe belta ltas s que que las las presa presas s de fábric fábrica, a, siend siendo o su princ principa ipall caract caracterí erísti stica ca la

 

zonificación de sus materiales , es decir, cada tipo de material se coloca

donde mejor ejerce su función.

Se clasific clasifican an en tres grandes grupos   según según sea el elemento impermeable que empleen: 1) Presas homogéneas

Hacen uso del mismo material impermeable en todo el cuerpo de presa. Se emplean en alturas pequeñas y medias siendo el ancho de su base en torno a 6 y 8 veces la altura de presa. 2) Presas de núcleo

Poseen un núcleo impermeable en su parte interna, arropado por un material resistente tipo escollera. A su vez, se pueden subclasificar según la morfología del núcleo (delgado o grueso) y su inclinación (núcleo inclinado).

El núcleo inclinado aporta ventajas desde el punto de vista de la seguridad y la construcción. Se construyen de todos los tamaños con una anchura de base entre 4 y 6 veces la altura de presa. 3) Presas de Pantalla

Poseen una pantalla impermeable que se apoya sobre el talud de aguas arriba del cuerpo de presa. Se clasifican en función del material de dicha pantalla:

 

hormigón (presas grandes, medianas y pequeñas), pantalla asfáltica (presas medianas y pequeñas) y pantalla plástica (presas pequeñas). El ancho de la base suele ser el triple de la altura de presa. Las presas de materiales sueltos, en cualquiera de sus modalidades, son las más empleadas en todo el mundo gracias a su gran versatilidad 2.3. 2.3. Mate Materi rial ales es

El criterio empleado para escoger una tipología tipología de materiales materiales sueltos frente a una de hormigón radica, bien en la escasa calidad del cimiento natural del terreno (baja capacidad portante) portante) o bien en el hecho de que resulte más rentable proceder  a la recogida y tratamiento (machaqueo y clasificación) del material local para confi configu gurar rar la pres presa, a, que que fabric fabricar ar el hormi hormigó gón n con con simila similare res s inten intencio cione nes. s. En cualquier caso, deberá someterse el caso particular a un profundo análisis que comprenda tanto la caracterización de las propiedades geológicas  geológicas  y geotécnicas del entorno, como otros factores entre los que destacan: destacan: calidad de los materiales autóctonos, autócton os, posibilidad de instalar una planta de machaqueo de piedra, distancias distancias de transporte, sensibilidad medioambiental, etc. Las presas de materiales sueltos pueden construirse casi con cualquier material con equipo de construcción rudimentario. Las presas de tierra se han construido con éxito utilizando grava, arena, limo, polvo de roca y arcilla. Si se dispone de gran cantidad de material permeable como arena y grava y hay que importar  mater mat erial ial arcill arcillos oso, o, la corti cortina na tendrí tendría a un coraz corazón ón o núcl núcleo eo pequ pequeñ eño o de arcill arcilla a impermeable y el material local constituiría el grueso de la cortina. Se ha utilizado hormigón como corazón impermeable, pero no ofrece la flexibilidad de los mater materia iale les s de arcilla. arcilla. Si no hay hay materi material al perme permeab able, le, la cortin cortina a pued puede e constru con struirse irse con material materiales es arcillos arcillosos os con drenes drenes inferior inferiores es de arena arena y grava grava im impo port rtad ada a deba debajo jo de la líne línea a de base base de agua aguas s abaj abajo, o, para para reco recole lect ctar ar las las filtraciones y reducir las presiones de poro.

 

2.4. 2.4. Esta Estabi bili lida dad d

Presa de materiales sueltos del Guadalhorce, Málaga, Málaga, España. España. Los taludes de una cortina de tierra rara vez son mayores de 2 horizontales por 1 vertical y suelen ser de alrededor de 3 a 1. El criterio usual es la estabilidad de los taludes en contra de una falla por deslizamiento. La estabilidad bajo la acción de fuerzas sísmicas es especialmente crítica. Para suelos en los que se forman cambios de presión de poro como resultado de las deformaciones por esfuerzo constante inducido por un terremoto, es muy difícil la determinación de valores apropiados para la aceleración de deformación. Para algunos tipos de suelos, no ocurren desplazamientos en una amplia variedad de aceleraciones 2. 2.5. 5. Filt Filtrac ració ión n tole tolerad rada a

Otro factor que, a veces, determina la inclinación de los taludes es la cantidad de filtración que puede tolerar. Si la cortina esta sobre un cimiento permeable, puede ser necesario aumentar el ancho de la base para reducir la filtración. La filtración también puede reducirse si se coloca una cubierta impermeable en el lado de aguas arriba de la cortina para aumentar la trayectoria de filtración con el uso de un muro de guarda o dentellón en el cimiento, como una tablaestaca o una zanja llen llena a de ar arci cill lla. a. Esta Esta no debe debe de exce excede derr a la cant cantid idad ad que que se pier pierde de por  por  evaporación. 2.6. 2.6. Cons Constr truc ucci ción ón

Las cortinas de tierra pueden construirse casi de cualquier altura y sobre cimientos que no son lo bastante fuerte fuerte para cortinas de concreto. Las mejoras en el equipo para movimientos de tierras han reducido el costo de la cortina de tierra, mientras cr crec ecie ient ntes es co cost stos os de mano mano de obra obra han han aume aument ntad ado o los los de las las cort cortin inas as de concreto.

 

Las cortinas de enrocamiento suelen consistir en un relleno de roca descargada desde camiones de volquete, una capa de tierra prieta más chica tendida en la cara de aguas arriba, que se liga en la roca descargada y un revestimiento importante impermeable aguas arriba que apoya sobre la capa de piedra, con un muro de guarda o dentellón que se extiende dentro del cimiento.  

2. 2.7 7. Relleno

El relleno de roca puede ser con rocas que varían en tamaño desde fragmentos pequeños hasta rocas de 25 t. El relleno se compacta al dejar caer las rocas, a veces vec es desde desde 40 m de altura, hacia el relleno. También se utiliza el lavado del relleno con manguera de alta presión para lavar los finos de entre los puntos de contacto entre las rocas y reducir el asentamiento. asentamiento. El cojín de piedra chica consta de piedras colocadas individualmente para reducir los huecos y servir de apoyo para el revestimiento impermeable. El revestimiento suele ser concreto madera sobre concreto, concreto, aunque en ocasiones ocasiones se ha utilizado acero. El dentellón suele ser  de concreto. 3. Ensayos Ensayos que se usan para la compactació compactación n de presas de tierra

Cuan Cu ando do se hace ace una pres presa a de tier tierra ra es impo import rtan ante te revi revisa sarr el grad grado o de compactación de cada capa mientras se va alzando la presa para esto se hacen dos ensayos para determinar el grado de compactación este mismo se hace varias veces a lo largo de toda la paca antes de empezar una nueva los ensayos son:

 

3.1 Ensayo densidad in situ mediante el cono de arena Objetivos Del Ensayo

Determinar en terreno la densidad de suelos cuyo tamaño máximo absoluto de partículas sea menor o igual a 50 mm (2”) cuando el nivel de densificación sea controlable mediante mediante ensaye Proctor; o menores o iguales a 80 mm (3”), cuando este sea controlable controlable mediante ensaye de Densidad Densidad Relativa en caso de usar el cono convencional y menor o igual a 150 mm (6”) en caso de usar  el macrocono

Generalidades

La densidad natural de un suelo corresponde al cuociente entre su masa y el volumen total que la contiene. Para calcular el volumen que ocupa el material en el terreno se utiliza el Método del Cono de Arena. Este método establece un procedimiento para determinar en terreno la densidad de suelos cuyo tamaño máximo absoluto de partículas sea menor o igual a 50 mm (2”) en un caso y menor o igual a 150 mm (6”) en el otro. Es el método lejos más utilizado. Representa una forma indirecta de obtener el volumen del agujero utilizan util izando do para ello, ello, una arena arena estandar estandarizad izada a compuest compuesta a por partícul partículas as cu cuar arzo zosa sas, s, sa sana nas, s, no ceme cement ntad adas as,,

de gran granul ulom omet etrí ría a

redo redond ndea eada da y

comprendida entre las mallas Nº 10 ASTM (2,0 mm.) y Nº 35 ASTM (0,5 mm.).El ensayo permite obtener la densidad de terreno y así verificar los resultad resu ltados os obtenid obtenidos os en faenas faenas de compacta compactación ción de suelos, suelos, en las que existen especificaciones en cuanto a la humedad y la densidad.Entre los métodos utilizados para obtener la densidad de terreno se encuentran el método mét odo del del cono cono de aren arena a (conv (convenc encion ional al y macro macrocon cono), o), el del del balón balón de caucho e instrumentos nucleares entre otros.Tanto el método del cono de arena como el del balón de caucho, utilizan los mismos principios, es decir, obtener la masa del suelo húmedo (Mh) de una pequeña excavación hecha sobre sobre la super superfic ficie ie del del terren terreno o (gene (genera ralme lmente nte del del espe espesor sor de la capa capa compactada). Obtenido el volumen de dicho agujero (Ve), la densidad del suelo estará dada por la siguiente expresión: hum= Mh/ Ve( g /cm3)Si se

 

deter de termin mina a luego luego el conte contenid nido o de humed humedad ad (w (w)) del del materi material al ex extra traído ído,, la densidad seca será: ρseca= hum/ ( 1 + w ) ( g /cm3)

3.2 Ensayo compactación Proctor Modificado Objetivos Del Ensayo

Es Este te en ensa sayo yo ab abar arca ca los los pr proc oced edim imie ient ntos os de comp compac acta taci ción ón us usad ados os en Laboratorio, para determinar determinar la relación entre el Contenido de Agua y Peso Unitario Seco de los suelos (curva de compactación) compactados en un molde de 4 ó 6 pulgadas (101,6 ó 152,4 mm) de diámetro con un pisón de 10 lb lbff (4 (44 4,5 N) qu que e cae cae de una altu ltura de 18 pu pulg lgad adas as (4 (45 57 mm), produciendo una Energía de Compactación de 56 000 lb-pie/pie3 (2 700 kN-m/m3).

Generalidades

Un suelo con un contenido de Humedad determinado es colocado en 5 capas dentro de un molde de ciertas dimensiones, cada una de las capas es compactada en 25 ó 56 golpes con un pisón de 10 lbf (44.5 N) desde una

 

al altu tura ra de caíd caída a de 18 pu pulg lgad adas as (4 (457 57 mm mm), ), so some mee end ndo o al su suel elo o a un esfuer esf uerzo zo de com compac pactac tación ión to total tal de apr aproxi oximad madame amente nte de 56 00 000 0 pie pie-lbf/pie3 (2 700 kN-m/m3). Se determina el Peso Unitario Seco resultante. El procedimiento se repite con un número suciente de contenidos de agua ag ua pa para ra esta establ blec ecer er un una a rela relaci ción ón en entr tre e el Pe Peso so Un Unit itar ario io Se Seco co y el Cont Co nten enid ido o de Ag Agua ua de dell Su Suel elo. o. Es Esto toss da dato tos, s, cuan cuando do son son plot plotea eado dos, s, re rep pre rese sent ntan an

una

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curv curvil ilin inea eall

co cono noci cid da

com omo o

cu currva

de

Compactación. Los valores de Opmo Contenido de Agua y Máximo Peso Unitario Seco Modicado son determinados de la Curva de Compactación Compactación..

4. Importa Importanci ncia a y Uso

El suel suelo o u uli liza zado do como como rell rellen eno o en Inge Ingeni nier ería ía (ter (terra rapl plen enes es,, rell rellen enos os de cimentación, bases para caminos) se compacta a un estado denso para obtener propiedades sasfactorias de Ingeniería tales como: resistencia al esfuerzo de corte, compresibilidad ó permeabilidad. También los suelos de cimentaciones son a menudo compactados para mejorar sus propiedades de Ingeniería. Los ensa en sayo yoss de Co Comp mpac acta taci ción ón en La Labo bora rato tori rio o pr prop opor orci cion onan an las las ba base sess pa para ra dete de term rmin inar ar el po porc rcen enta taje je de comp compac acta taci ción ón y co cont nten enid ido o de ag agua ua qu que e se necesi nec esitan tan par para a obt obten ener er las pro propie piedad dades es de Ing Ingen enier iería ía req requer uerida idas, s, y pa para ra el contro con troll de la con constr strucc ucción ión par para a ase asegur gurar ar la obt obten enció ción n de la com compac pactac tación ión requerida y los contenidos de agua.

 

Durante el diseño de los rellenos de Ingeniería, se ulizan los ensayos de corte consolidación permeabilidad u otros ensayos que requieren la preparación de especímenes de ensayo compactado a algún contenido de agua para algún Peso Unitar Uni tario. io. Es pr prác ácca ca com común ún,, pri primer mero o det determ ermina inarr el óp ópmo mo con conte tenid nido o de hume hu meda dad d (w (wo) o) y el Pe Peso so Un Unit itar ario io Se Seco co (γ (γmá máx) x) me medi dian ante te un en ensa sayo yo de compac com pacta tació ción. n. Los esp especi ecimen menes es de com compac pactac tación ión a un con conten tenido ido de agu agua a seleccionado (w), sea del lado húmedo o seco del opmo (wo) ó al opmo (wo) y a un Pe Peso so Un Unit itar ario io se seco co sele selecc ccio iona nado do rela relav vo o a un po porc rcen enta taje je de dell Pe Peso so Unitario Seco máximo (γmáx). La selección del contenido de agua (w), sea del lado húmedo o seco del ópmo (wo) ó al ópmo (wo), y el Peso Unitario Seco (γmáx) se debe basar en experiencias pasadas, o se deberá invesgar una serie de valores para determinar el porcentaje necesario de compactación.