Clase Fallas en Presas Ok (1)

Curso: Grandes Obras de Ingeniería Civil

Docente: Ing. Sofía Terrones Abanto

Obras Hidráulicas

CORTINAS DE GRAVEDAD

Presiones actuantes en una presa de gravedad

CORTINAS DE GRAVEDAD

CORTINAS DE ARCOS MULTIPLES

Desvío El desvío se da por medio de túneles construidos en las laderas de los cañones , pueden tener alguna ventaja en cortinas de concreto, y su uso es casi obligatorio en cortinas de tierra y materiales graduados. Para cortinas de tierra y materiales graduados con mucha frecuencia hay necesidad de hacer el desvío en dos etapas: una primera en tajo canal y una segunda en túneles.

Transporte Las cortinas puede ser un sitio favorable para cruzar un río, en una carretera, por lo tanto dicha posibilidad se debe tener en cuenta en el diseño. Las cortinas tipo gravedad, arco grueso, tierra y materiales graduados se adaptan bien para la construcción de un camino en su corona; no así los tipos de arcos delgados, en donde se debe hacer consideraciones especiales al respecto, muchas veces en un costo elevado.

PRESAS DE RELAVE

Las presas son generalmente las más peligrosas estructuras de la ingeniería, más aún las presas de relave. La falla de una presa, puede causar gran pérdida de vidas, cuyo valor puede ser mucho mayor que el de la presa en sí.

El estudio de las fallas de una presa de relave puede ser de gran valor, si ésta se investiga completamente y se analiza objetivamente.

Considerando específicamente las presas de relave como estructuras de retención de rellenos mineros, éstas pueden ser divididas básicamente en dos grupos: presas o diques de tipo convencional y rellenos hidráulicos construidos por etapas .

¿Por qué fallan las presas? Las presas son consideradas como las obras magnas de la ingeniería; según el Derecho Internacional Humanitario también como "instalaciones que contienen fuerzas peligrosas". Barreras diseñadas y construidas para contener el flujo de agua que a veces pueden cumplir otras funciones como la de generación de energía o de espacios de recreo. Pero: ¿Cuáles son las causas típicas de sus fallos? ¿Qué provocan? ¿Qué debemos tener en cuenta los ingenieros? ¿Existe legislación que regule, controle y prevea estas situaciones?

En principio las causas de rotura más comunes son: Errores en el diseño. Aquí entrarían todos los errores de cálculo y diseño previo. (Incluyendo los informáticos). Por ejemplo errores en el diseño del aliviadero provocando que no pueda cumplir su función de vertido.

Errores en la ejecución. Excavar un agujero de cimentación en ángulos agudos o rectos genera tensiones. No cimentar sobre la superficie adecuada permite la acumulación o paso de fluido por la zona inferior provocando subpresiones y el sifonamiento de la presa. Verter el hormigón de manera incorrecta (en el caso de las presas de hormigón) o disponer mal las capas así como realizar una mala compactación (en las de materiales sueltos). Por supuesto todas aquellas que tengan que ver con el empleo de materiales inadecuados o de baja calidad.

Errores en la gestión. No tener sistemas de auscultación y control que sirvan para detectar cualquier posible movimiento de la presa tanto en su eje vertical como horizontal. No disponer de sondeos con manómetros en el fondo que indiquen los valores de la subpresión. Mal mantenimiento de las tuberías de desagüe. Mala utilización de compuertas y válvulas realizando operaciones de llenado y vaciado rápidamente. Y los errores de gestión más importantes: no disponer de un plan de emergencia ni someter a las revisiones de seguridad correspondientes según categorías. Acciones naturales. Deslizamiento de la montaña dentro del embalse, además de generar una inestabilidad geológica provoca cambios repentinos en el nivel del agua. Condiciones meteorológicas adversas: Como fuertes nevadas o lluvias extremas que incrementen el calado del embalse repentinamente.

El colapso de una infraestructura de este tipo no solo supone perdidas funcionales, ambientales y económicas presa-entorno, sino que además lleva la perdida de vidas humanas. Las roturas de presas son raras en comparación con otro tipo de instalaciones, pero hay que tener en cuenta que son capaces de generar un daño enorme y provocar la pérdida de un gran número de vidas humanas. Por ello los ingenieros debemos de ser capaces de prevenir y controlar el riesgo que supone el colapso de una infraestructura de este tipo. Empezando por incluirlo en el diseño, pasando por realizar una buena ejecución y lo que nos parece más relevante: englobar todo lo anterior bajo términos de excelencia en la gestión.

Filtración

Tipos de Tubificación 1. Levantamiento En los primeros estudios se analizaron “reventones” donde la arena entraría en “ebullición”, provocando el colapso de la obra si el peso del suelo resultaba insuficiente para contener el movimiento ascendente del suelo bajo el efecto de la fuerza de filtración, en el momento de alcanzarse un determinado gradiente, denominado “crítico”. Terzagui (Terzagui-Peck 1973) recomendó la construcción de un “filtro invertido cargado” (materiales gruesos arriba), de tal forma que su peso, colocado en la zona donde emergen las líneas de corriente en forma concentrada, evite el sifonamiento, incrementando el factor de seguridad.

Tipos de Tubificación 2. Tubificación retrógrada La tubificación retrógrada se puede producir en prácticamente todos los suelos (en los no cohesivos si algún estrato o estructura impide el desmoronamiento del túnel), desde aguas abajo hacia aguas arriba, siguiendo preferentemente el camino de concentración de las líneas de filtración. El conducto se forma por las zonas geológicamente más débiles, por planos de estratificación permeables, o en cualquier otras zonas de concentración del flujo donde la energía llega sin sufrir grandes pérdidas debidas a la fricción (Figura 3).

Tipos de Tubificación 3. Fractura hidráulica Consiste en la brusca irrupción del agua a través de las grietas de los terraplenes, bajo los efectos de la carga hidráulica, ejerciendo subpresiones (fuerzas dirigidas de abajo hacia arriba) y presiones en todas direcciones, principalmente durante el primer llenado del embalse o al producirse alguna variación brusca de su nivel, (Figura 4, Jiménez S. Justo A. 1975).

A las contracciones y secado como el origen de fisuras pueden agregarse diferencias en compactación producidas por el paso de los rodillos. Estas grietas internas pueden estar cerradas, pero, cuando el nivel del reservorio alcanza algunos metros (2 a 3) sobre ellas, la presión hidrostática puede ser superior a la presión total. El agua ejerce presión sobre la fisura abriéndola progresivamente.

Tipos de Tubificación 4. Pozos o Sumideros La morfología de los túneles, que al inicio son verticales y luego se desarrollan horizontalmente, sugiere la forma de “jarras” (sinkholes en inglés, Figura 5 y Figura 6). Se producen porque el agua de lluvia penetra (y erosiona) por pequeñas fisuras abiertas por contracción o raíces de plantas. Son característicos de las arcillas dispersivas.

TUBIFICACIÓN El fenómeno de tubificación puede definirse como el movimiento de material de la cimentación por la velocidad del agua de filtración al salir del suelo que se encuentra bajo la presa. En otras palabras, es el fenómeno se presenta cuando las filtraciones a través de un suelo se verifican con velocidades mayores de un cierto limite, al cual se denomina “velocidad critica”. La tubificación incipiente ocurre cuando la presión del agua de filtración en cualquier punto de la cimentación, es mayor que el peso del suelo saturado en ese punto. Bajo tales condiciones el suelo llega a estar sobresaturado rápidamente e incapaz de soportar cualquier carga; la tubificación real es insipiente.

Debido al arrastre de las partículas sólidas hacia el exterior, se van formando en la cimentación verdaderos túneles, por los que el agua fluye fácilmente. Esto es mas apreciable en los puntos donde el agua aflora en las cuales se producen acumulaciones de partículas sólidas en las proximidades de los túneles.

Debido a la tubificación muchas presas se han malogrado, ya que al socavarse el terreno interiormente, se producen derrumbes que originan falla total de la estructura.

Ejemplos de Fallas De algunas Presas

Algunos casos de Fallas de Presas de Relave en el Perú.

Accidentes y Fallas en Presas

Para que una presa de tierra funcione eficientemente debe cumplir los siguientes requisitos: a)

Que el gasto de filtración no afecte sensiblemente el volumen de agua disponible en el almacenamiento. b) Que las subpresiones no afectan la estabilidad de la sub estructura. c) Que no haya peligro de tubificación. d) Que los taludes sean estables, bajo las condiciones más severas del funcionamiento, a métodos reconocidos de análisis. e) Que no haya ninguna posibilidad de que el agua pase por encima de la cortina. f) Que la línea de saturación no corte el paramento de aguas abajo.

FALLAS EN LAS PRESAS

Definición de Falla o rotura

“Colapso o movimiento de una parte de la presa que no puede retener el agua”.

La seguridad de presas depende principalmente de tres factores:

• Diseño • Calidad de construcción • Mantenimiento y operación.

• Diseño Los criterios usuales de factores de seguridad, empleados a la fecha, están empezando a ser cuestionados, usándose cada vez más los criterios probabilísticos.

• Construcción Es probablemente el aspecto más difícil de todos, ya que mayormente existen variaciones en su ejecución.

• Mantenimiento y operación. Paralelamente a la ejecución de la obra se debe capacitar al personal que operará y efectuará el mantenimiento.

Causas de falla en presas • El desbordamiento. • La erosión interna.

• El debilitamiento de la cimentación.

Causas de Falla de Presas en el periodo 1964 -1983 según Lebreton (1994) Ha < 15 m

Causas

Desbordamiento

Ha >15 m

Total

Nº Fallas

%

Nº Fallas

%

Nº Fallas

%

Construcción

0

0.00

9

25.00

9

14.52

Terminación

18

69.23

11

30.56

29

46.77

Total

18

69.23

20

55.56

38

61.29

2

5.56

2

3.23

Paso de Avenida Aguas Arriba Descarga de Avenidas

2

7.69

1

2.78

3

4.84

Cuerpo Cortina

3

11.54

7

19.44

10

16.13

Falla de Conducto

2

7.69

2

5.56

4

6.45

Total

5

19.23

9

25.00

14

22.58

Deslizamiento de taludes

1

3.85

4

11.11

5

8.06

Total

26

100

36

100.00

62

100

Erosion

Tubificación

Rotura de Presa Pantano de Puentes Municipio de Lorca, Región de Murcia; España

- La primera presa se comenzó a construir el 16.12.1647. En plena construcción, el 05.08.1648, una gran avenida destruyó la presa.

- La segunda presa se inicio su construcción el 01.03.1785. El 30.04.1802, por causa de lluvias y construcción defectuosa reventó ( 608 muertos). La presa se construyó sobre un suelo arenoso.

Rotura de Presa Dale Dike Peak, Ciudad de Sheffield, Inglaterra

- La presa se construyo en 1859. En 1864 la presa falló inundando Sheffield.

- Por segunda vez se inicio su construcción en 1875.

Falla de Presa Walnut Grove 1890 - Wickenburg, Arizona – Estados Unidos

Fuertes nevadas provocaron la rotura.

y

lluvias

- También los defectos en la construcción provocaron la rotura de la presa.

Falla de Presa Francis 1928 - Valencia, California, Los Ángeles – Estados Unidos

- Inestabilidad geológica del cañón que pudo haber sido detectada, combinado con un error humano que evaluó el desarrollo de las grietas como "normal”.

Falla de Presa Baldwin Hills 1963 - Los Angeles, California – Estados Unidos

- Causada por una sobrexplotación de un yacimiento petrolífero.

Fallo geológico motivado por uso incorrecto de explosivos durante la construcción.

Falla de Presa Presa de Vajont 1963 - Vajont – Italia

- Estrictamente la presa no falló, pero sí fallaron las laderas del vaso que al caer sobre el agua generaron un megatsunami que destruyó varios pueblos.

PRINCIPALES REPRESAS DEL PERÚ

AUTORIDAD ADMINISTRATIVA DEL AGUA

NOMBRE

POECHOS

JETEPEQUE - ZARUMILLA

SAN LORENZO TINAJONES

GALLITO CIEGO QUILCAPATA

MANTARO

LLACHOP LLAMACANCHA CUSHOQUESERA

PAMPAS - APURIMAC

CHOCLOCOCHA

TITICACA

LAGUNILLAS CONDOROMA

CAPLINA - OCOÑA

PILLONES EL PAÑE AGUADA BLANCA EL FRAYLE

PASTO GRANDE

PRESAS EN ENROCADO

PRESAS EN ENROCADO Son terraplenes formados por fragmentos de roca de varios tamaños cuya función es dar estabilidad y por una membrana aguas arriba que es la que proporciona impermeabilidad. Su adopción se indica en los siguientes casos: • Abundancia de roca de la zona. • Inadecuada cimentación para presas rígidas. • Altos costos para el transporte de los elementos del concreto.

• Las presas de enrocado se pueden ejecutar en toda época y con gran rapidez. • Si el cimiento es de roca muy agrietada, la subpresión para presas de concreto gravedad es alta y por tanto una presa de escollera se prefiere al no haber problemas de subpresión.

• Caso en que la comparación económica con respecto a otras alternativas presente la presa de enrocado como la más favorable.

GEOMALLAS

GEOMEMBRANAS

• Infiltración de agua a través de la pared de tierra..

Instalación apropiada del manto (Geomembrana)

Geomallas en Pavimentos:

Las razones por las cuales se emplean geomembranas en instalaciones de contención de relaves tienen todas como propósito, el reducir la posibilidad de fugas y su subsecuente riesgo de ocurrencia de “fallas,” mediante una mejor contención. La definición de “falla” incluye las fallas estructurales, la contaminación ambiental y el suministro inadecuado de agua. Ya sea para proteger el agua superficial o subterránea o para optimizar la recuperación de agua, las geomembranas suelen ser una opción para la reducción de fugas.

En ningún pad de lixiviación moderno de gran escala se hace uso de revestimientos únicamente a base de suelos y esto, a menudo, se debe a factores tanto económicos como ambientales, ya que el valor de la solución en sí, que se pierde a través de los revestimientos de arcilla puede cubrir tanto el costo adicional que implicaría construir con geomembranas, como el costo de un adecuado aseguramiento de la calidad de la construcción (CQA, por sus siglas en inglés).

Para poder cuantificar “la cantidad de fugas evitadas” mediante el uso de una geomembrana, se llevó a cabo un análisis comparativo cuyo objetivo fue realizar una comparación entre las instalaciones de contención de relaves revestidas con geomembrana y las instalaciones no revestidas, ubicadas en lugares con presencia de arcillas de formación natural o arcillas compactadas de 1 de espesor, con diversas cargas hidráulicas. El tamaño y la frecuencia de los defectos fueron estimados en base a datos de desempeño publicados, considerándose tres categorías de instalación de revestimientos: De alta calidad, de calidad promedio, y de baja calidad, las cuales representaban respectivamente, (i) una excelente instalación de revestimiento y programa CQA, (ii) una buena instalación con programa CQA, y (iii) una mala instalación sin un programa.

El análisis de fugas demuestra que la instalación de una geomembrana reduce la pérdida de líquidos entre un 83% y un 99%, valores que superan los de la arcilla sola. Este enfoque proporciona una idea a grandes rasgos del ahorro de agua potencial resultante del uso de geomembranas en el diseño de embalse de relaves.

Una referencia importante, que cabe destacar, sobre los revestimientos de geomembrana cuya instalación es de “baja calidad,” es que los datos y los estudios internos sugieren que más del 30% de dicho tipo de instalaciones experimentan una falla que requiere, ya sea de una reconstrucción de considerable envergadura, o de ser reemplazados en su totalidad, (ó abandonados), lo cual no se ve reflejado en las tasas de fuga reportadas en la tabla precedente, (la tasa de ocurrencia de fallas en las instalaciones clasificadas como “de calidad promedio” ó “de alta calidad” es insignificante).

Un sistema de contención cuya instalación es clasificada de alta calidad, también reduce el riesgo de ocurrencia de fallas estructurales debido a diversos factores favorables. La reducción de la posibilidad de filtración en el dique y en los cimientos, mejora la estabilidad de los taludes y reduce el riesgo de erosión interna (ó “socavamiento”), que es la causa de la fallas en muchas presas.

LA INVESTIGACIÓN GEOFÍSICA DEL SUBSUELO La aplicación de métodos de prospección geofísica permite conocer cómo se disponen los materiales en el subsuelo con una precisión relativamente buena. Por ejemplo; el método de prospección geofísica mediante perfiles de tomografía eléctrica, va a permitir estudiar los materiales del subsuelo a diferentes escalas de profundidad y con distintos grados de resolución y con gran rapidez y presupuestos no tan elevados. La tomografía eléctrica es un método prospectivo geoeléctrico que analiza los materiales del subsuelo en función de su comportamiento eléctrico, es decir, que permite diferenciarlos en función de su valor de resistividad.

La naturaleza y composición de las rocas, la textura más o menos alterada, más o menos compacta o más o menos porosa, unida a la presencia o no de fluidos y su naturaleza, son factores que van a condicionar la existencia de una mayor o menor concentración de iones. Una mayor movilidad de estos iones tiene como consecuencia una mayor conductividad o, lo que es lo mismo, una menor resistividad, que es el parámetro en cuestión con que se trabaja en la prospección geofísica mediante perfiles de tomografía eléctrica. Las arcillas, las margas y las calizas, por ejemplo, tienen todos unos valores de resistividad diferentes entre sí y característicos. Esto permite prever que podrán ser distinguidos en el subsuelo en base a las diferencias observadas en este parámetro (ver ejemplo en la figura 3). Lo mismos sucede entre las formaciones superficiales, las unidades que forman el cuerpo de presa y la roca que forma el sustrato: sus diferentes naturalezas y texturas les proporcionan unas características que las hace diferentes ante la investigación del subsuelo mediante resistividades.

Y, del mismo modo que sucede con las diferentes rocas y unidades litológicas, la presencia de fugas también es susceptible de identificarse en tanto que son zonas de presencia prioritaria de agua, aspecto éste que va a favorecer unos valores de resistividad diferentes de los del entorno y, consecuentemente, van a poder detectarse.

GRACIAS POR SU ATENSIÓN