USO DE GEOMEMBRANAS PARA HYDRO PROYECTO EN AMERICA DEL SUR Autor/es: Empresa: E-mail:
Scuero, A.; Vaschetti, G.; Bacchelli, M. Carpitech Carpitech
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RESUMEN Las geomembranas son cada vez más utilizadas como barreras impermeables en proyectos hidroeléctricos, en nuevas construcciones y en rehabilitaciones, debido a sus características que les permiten resistir a los efectos de asentamiento, movimiento diferencial, rotación, sismicidad y ciclo hielo-deshielo. hielo-deshielo. El proyecto de rehabilitación más antiguo en América del Sur realizado con una geomembrana de cloruro de polivinilo (PVC) expuesta es el canal de Itutinga, donde el sistema de impermeabilización por geomembrana ha restaurado la impermeabilidad de los muros deteriorados (1996). La reparación en curso a Turimiquire, presa de escollera de 113 m de altura con cara de hormigón (CFRD) es un ejemplo de instalación bajo el ag agua ua de un sistema de geomembrana de PVC expuesta. Otra aplicación es el uso de waterstops externos de PVC para la reparación de juntas falladas y fisuras, ejemplos son Doña Francisca, presa de 50 m de alto, primera presa de CCR en el mundo reparada con un sistema de geomembrana y Usina da Pedra, presa de contrafuertes de 60 m de alto. Hitos en la nueva construcción son los m 188 de la presa de Miel I, la presa de CCR más alta del mundo en pleno funcionamiento, donde una geomembrana de PVC expuesta ofrece una protección impermeable en la cara aguas arriba entera, y la presa de CCR Porce II, m 118 de alto diseñada con waterstop externo en todas las juntas de contracción. El documento detalla diseño, peculiaridades de la instalación y prestaciones de los proyectos terminados y en curso.
Palabras clave: Geomembranas, impermeabilización, cloruro de polivinilo (PVC), waterstop externo, rehabilitación, Concreto Compactado con Rodillo (CCR), Presa de escórelas con cara de hormigón (CFRD).
INTRODUCCION Las geomembranas representan una técnica consolidada para la impermeabilización impermeabilización a largo plazo de las estructuras hidráulicas, nuevas o existentes. Ellas han sido utilizadas en todo el mundo durante más de 50 años en la rehabilitación de una variedad de presas, canales, túneles hidráulicos, embalses, etc., en la nueva construcción de numerosas presas en CCR y de materiales sueltos, en los canales de energía hidroeléctrica y el suministro de agua, en túneles hidráulicos, en los embalses. El uso de geomembranas abarca desde proyectos exigentes de alta tecnología, tales como aquellos en los que la geomembrana geomembrana está expuesta sobre presas presas de gran altura o en túneles d de e presión y canales de energía hidroeléctrica con velocidad de agua muy alta, y también para proyectos en los que la geomembrana geomemb rana está cubierta cubiert a o en condiciones menos exigentes, exigent es, tales como canales de riego y embalses. Este documento se focaliza en algunas instalaciones importantes en América del Sur de sistemas de membrana de PVC, drenada y anclada mecánicamente, desarrollados y patentados en Europa.
ANTECEDENTES La aplicación de las geomembranas para la impermeabilización de las estructuras hidráulicas se remonta a hace más de medio siglo. Las geomembranas fueron por primera vez empleadas utilizadas en las estructuras hidráulicas inmediatamente después de la Segunda Guerra Mundial, en la investigación y la experimentación en el campo realizadas por US Bureau of Reclamation en varios tipos de revestimientos de canal. La instalación de geomembranas en las presas comenzó en Europa a finales de 1950 con la construcción de nuevas presas de materiales sueltos, y se extendió progresivamente a la rehabilitación de todos los tipos de presas, y para la construcción de nuevas presas en CCR. Las primeras aplicaciones se realizaron sobre las nuevas presas de materiales sueltos porque siendo intrínsecamente permeables estas presas necesitan de un elemento separado para proporcionar estanqueidad. estanqueidad. El concepto de usar geomembranas sintéticas resistentes a sustituir a los materiales impermeables tradicionales como arcilla, hormigón o concreto bituminoso llega, entre otras cosas, del buen desempeño de waterstops recubiertos de PVC hecho en todo el mundo en numerosas presas de hormigón que se basan en su utilización para detener la infiltración de agua en las juntas. Un sistema de geomembrana en la cara aguas arriba de una presa puede ser considerado, desde un punto de vista conceptual, como un amplio amplio waterstop sellado en los estribos y al pié de aguas arriba. En los años 70, el uso de geomembranas en los embalses de las presas de materiales sueltos se extendió a la rehabilitación de las presas de hormigón, en el decenio de 1980 a la impermeabilización de las nuevas presas en CCR, y en 2000 a la reparación de las presas existentes en CCR. PVC, que ha sido el primer tipo de geomembrana adoptadas sobre las presas, es también el único que se ha instalado en presas muy altas y bajo el agua [1].
EL SISTEMA CON GEOMEMBRANA DE PVC DRENADA Gracias a los recientes desarrollos en la investigación, pruebas, diseño y fabricación, geomembranas geomembrana s más performantes son más utilizadas actualmente que en el pasado. Las pruebas de laboratorio y la experiencia internacional en el campo ha demostrado que las geomembranas geomembrana s basadas en PVC plastificado son las más confiables y duraderas para aplicaciones aplicaciones en estructuras hidráulicas [1, 2]. Geomembranas de PVC plastificado, con su bajo módulo de elasticidad, son más flexibles y por lo tanto con mejores prestaciones con respecto a la perforación y a la ruptura. Esta es una ventaja, sobre todo en las presas en materiales sueltos, que otorga un rendimiento superior en comparación con los métodos tradicionales. tradicionales. Las características de tracción de geomembranas de PVC permiten impermeabilizar grandes fisuras y resistir a los movimientos del soporte que destruirían las capas más rígidas como el hormigón y hormigón proyectado. Una geomembrana de PVC, con > 230% de capacidad de elongación, conservará su estanquidad en presencia de asentamiento y de movimientos diferenciales que, por el contrario, en CFRDs podría provocar fisuras/agrietamiento de las losas de la cara y dar lugar a una posible rotura de waterstops, en paramentos de hormigón bituminoso podría causar interrupción entre la conexión de la cara bituminosa y las estructuras de hormigón, y en las presas en CCR podría causar formación de grietas en el concreto y posible rotura de waterstops. Geomembranas de PVC tienen una permeabilidad superficial baja, y cuando están correctamente colocadas no tienen uniones defectuosas o grietas por donde el agua puede infiltrarse o perderse, lo que les permite satisfacer los requisitos de seguridad a largo plazo y eficiencia de la estructura hidráulica. Geomembranas de PVC hacen en las fábricas en forma de láminas flexibles delgadas (del orden de 1 a 4 mm) suministradas en rollos, y normalmente se unen en el sitio mediante la superposición de las hojas de geomembrana unidas por soldadura por calor. Las soldaduras por calor, cuando se ejecutan y controlan adecuadamente, logran la adherencia profunda de las dos capas superpuestas, que se traduce en una sola capa con el doble de espesor. Un sistema de drenaje se coloca generalmente detrás de la geomembrana, para la captura y descarga del agua de infiltración y condensación, evitando que se afecta el cuerpo de la estructura, y permitiendo monitorear el comportamiento del sistema de impermeabilización. No hay límite en la altura del agua que las geomembranas pueden aceptar. El récord mundial
actual es de 198 m por presas de materiales sueltos (Karahnjukar, Islandia, nueva construcción), 188 m por presas en CCR (Miel I, Colombia, nueva construcción) y 174 m por presas de hormigón (Alpe Gera, Italia, rehabilitación). rehabilitación). Con el tiempo, las geomembranas mantienen su estanqueidad: la literatura disponible sobre el seguimiento de geomembranas de PVC en servicio durante 20 años, informe que la permeabilidad permeabilidad no se altera con el tiempo [2]. Un beneficio adicional del sistema expuesto llega de la rugosidad hidráulica muy baja de la geomembrana, que permite una mayor producción eléctrica en caso de canales de energía hidroeléctrica y túneles, y el aumento de abastecimiento de agua y la mínima operaciones de limpieza, debido a la proliferación inferior de las algas, en caso de canales de riego. Instalación sencilla consiste en tareas mecánicas que se pueden ejecutar de forma rápida y prácticamente en todas las condiciones climáticas, sin afectar la calidad final del sistema de impermeabilizaci impermeabilización. ón. En construcciones nuevas, la adopción de una geomembrana puede resultar en una simplificación importante de obras civiles y reducción en los tiempos y limitaciones de construcción. En las presas de materiales sueltos las geomembranas geomembranas evitan los problemas relacionados relacionados con la falta de materiales adecuados y el deterioro de waterstops y simplifican la construcción evitando problemas relacionados con la instalación adecuada de múltiples líneas de defensa de waterstops y conexiones del núcleo de arcilla o de concreto bituminoso con las estructuras auxiliares de hormigón. En las presas en CCR, la adopción de una geomembrana permite reducir el contenido de cemento en el CCR, reduciendo/eliminando el “bedding mix” en las juntas horizontales del CCR y los waterstops revestidos, permitiendo requisitos menos estrictos para el CCR y menos problemas de control de calidad, sin costos adicionales para el enfriamiento, y temperaturas más amplias de colocación. colocación. Un sistema de geomembranas adecuadamente diseñado e instalado garantiza un servicio más seguro y una vida más larga de la estructura, programas de construcción más cortos y costos más bajos. Dos opciones/conceptos están disponibles: el sistema con geomembrana cubierta o el sistema con geomembrana expuesta, pero sólo las aplicaciones expuestas serán discutidas aquí. En el sistema expuesto el revestimiento sintético impermeable se coloca sobre la cara aguas arriba de la estructura hidráulica. Normalmente consta de una geomembrana de alto rendimiento de PVC acoplado a un geotextil, para formar un geocompuesto. Siempre que sea posible, hojas adyacentes están unidas por soldaduras estancas, si esto no fuera posible, es decir en la instalación bajo b ajo el agua, la unión es realizada por medios mecánicos. mecán icos. Capas adicionales adicionale s de soporte de geotextil y de geocompuestos de sacrificio se sitúan generalmente en la correspondencia de las juntas. Número y tipo de estas capas dependen del ancho previsto de apertura de las juntas, de la rotación de los bloques, de la presión hidrostática, etc. Durante el servicio,elsisistema la impermeabilidad dellaparamento de aguas arriba un daño a la geomembrana, de drenaje de cara intercepta el agua queessealterada filtra enpor el paramento de aguas arriba, evitando que penetre la presa, y por lo tanto previniendo el aumento de las subpresiones. Presas revestidas con geomembranas geomembranas de PVC muestran típicamen típicamente te filtraciones insignificantes en comparación con las presas impermeabilizadas con los sistemas convencionales. En la presa en CCR de Miel I, el total de las infiltraciones de la geomembrana expuesta de PVC con el embalse totalmente lleno es de 2,0 lt/s [3], por la mayoría de los estribos; Balambano, presa en CCR de 95 m de alto, Indonesia, sistema de PVC expuesto instalado en 1999, tiene un caudal total de filtraciones de todos los 6 desagües de los 15.490 m 2 de la cara aguas arriba de 0,012 lt/s con un máximo de 0.965 lt/s a nivel normal del embalse.
EL RESTABLECIMIENTO DE LA ESTANQUEIDAD DE LAS ESTRUCTURAS HIDRAULICAS Canal Itutinga, Brasil 1996 El primero proyecto de rehabilitación utilizando un sistema con geomembrana de PVC drenada expuesta y fijada mecánicamente, fue el canal Itutinga, parte de la planta hidroeléctrica Itutinga y propiedad de CEMIG (productor brasileiro de energía). Las paredes de concreto, 14,5 m de alto, se deterioraron y requirieron una rehabilitación para reducir la pérdida de agua considerable considerab le que
llevó a la formación de manantiales de agua en el exterior de las paredes del canal (Figuras 1 y 2). La velocidad del flujo dentro del canal es de 2 m/s. La solución adoptada consistió en un sistema de geomembrana de PVC expuesta instalada sobre la cara interior de las paredes del canal que estaban causando las filtraciones, en una superficie de 1500 m2. El sistema consta de una primera capa de geored seguida de un geocompuesto (SIBELON CNT 2800), una geomembrana de PVC de 2,0 mm de espesor acoplada a un geotextil de 200 g/m2.
Figura 1 y 2.- Las filtraciones de los muros de hormigón deteriorado. El geocompuesto es anclado longitudinalmente al substrato de hormigón por líneas paralelas de perfiles de acero inoxidable plano, impermeabilizado con bandas de cobertura de PVC (Figura 3). El espaciamiento de las líneas de anclaje se calculó tomando en cuenta también la acción dinámica del agua detrás del geocompuesto, en caso de daño accidental. Sellos estancos perimetrales, mecánicamente y químicamente anclados, suministran estanqueidad perimetral en los límites de la zona impermeabilizada (Figuras 4 y 5).
Figura 3, 4 y 5.- Izquierda: la pared del canal de energía hidroeléctrica durante la instalación del geocompuesto geocompuest o (geomembrana (geomembran a de PVC de 2,0 mm de espesor + geotextil de 200 g/m 2 ) sobre la geored de drenaje (el material negro). Medio: el anclaje inferior estanco se realiza sobre la viga de inyección. A la derecha: el anclaje superior en aliviadero es hermético. Ningún mantenimiento manten imiento se ha realizado rea lizado después de d e la rehabilitación rehabilitac ión en 1996 hasta hast a ahora. La estanqueidad del geocompuesto no se ha visto comprometida y no se han detectado filtraciones en los márgenes del canal.
Instalación bajo de agua en la l a presa del Turimiquire, Venezuela 2009-2010 Un hito en la aplicación de un sistema de geomembrana PVC drenada se alcanzó en la presa de Las Canalitas, más conocida como Turimiquire, una presa de 113 m de altura en Venezuela. Venezuel a. Poseída por el Ministerio del Poder Popular para El Ambiente, se utiliza para el abastecimiento de agua potable.
La presa, diseñada por Barry Cooke, es una presa de material de cantera colocado en capas compactadas compactada s de 2 m de alto. Una Zona 1 (clasificación (clasif icación de 6,5 a 180 mm) de 5 m de espesor se mantuvo en el lado de aguas arriba, colocada en capas de 0,5 m de alto. El paramento de aguas arriba de la presa, inclinación de 1V: 1.4H, está formado por 33 losas de hormigón armado que son en su mayoría de 15 m de ancho y 12,15 m de alto, con espesores que varían de 30 cm en la cresta a 100 cm en la parte inferior. Las juntas de construcción son reforzadas y tienen un waterstop embebido. La presa fue llenada en 1988 y justo después de un año, se observaron fugas. En julio de 1989 las fugas alcanzaron los 300 lt/s y fue necesario bajar el nivel del agua y arreglar mediante la colocación de material arcilloso, lo que redujo las fugas a 60 lt/s. Las fugas volvieron a aumentar hasta 2500 lt/s, y una segunda reparación se llevó a cabo en 1994 por llenado con material de dos tamaños diferentes. Las fugas bajaron a 674 lt/s, pero comenzaron a aumentar de nuevo hasta 3173 lt/s. En 1996 una reparación "natural" se llevó a cabo por un deslizamiento de tierra que redujo las fugas a 1255 lt/s. En septiembre de 1999 fugas hasta 6500 lt/s requirieron una cuarta reparación hecha llenado con material de cuatro tamaños diferentes. En 2000, una quinta reparación se llevó a cabo, con material granular más una geomembrana impermeable tipo XR5, en una superficie de 450 m 2. El resultado de esta reparación era muy pobre, las fugas alcanzando 9.800 lt/s. Otros estudios se realizaron con equipo de exploración sonar multi-beam que mostraron que los daños habían aumentado y que las fugas no estaban en el plinto, al contrario de lo que se creía. Había dos epicentros, un cráter de 4,1 m2 en la losa 24 y uno en el. 270 m de la losa 9. La investigación adicional demostró una gran zona con fisuras y grietas sin una orientación definida y hasta 7 m de longitud. Se creía que las grietas y fisuras había sido inducidas por los asentamientos detectados en la cresta de las losas profundas. El hormigón tenia t enia escalas y pérdidas varios lugares (nidos de grava). de la erosión en las losas en de el. material 275-285 cementante m, había unenárea permeable por debajo de la Además geomembrana colocada en 2000. Debido al anclaje insuficiente, insuf iciente, la geomembrana geomembr ana se había desplazada a nivel local y se formaron grandes ondulaciones y pliegues. También parte del anclaje del perímetro se había desplazado desplazad o (Figura 6). También hubo una continua acumulación de sedimentos y otros materiales entre el. 260 y 280 m (hasta 6 m en el pié) (Figura 7). Medidas batimétricas llevadas a cabo en verano de 2008 sugirió que en la parte superior del plinto el espesor de los sedimentos se encontraba en el rango de 2 a 3 m, mientras que en el pie fue > 5 m, sobre todo en el estribo izquierdo. Espesor inferior se estimó en losas de 24/25 y 28/29 en el estribo derecho.
Figura 6 y 7.- Izquierda: la membrana instalada en 2000 sobre 450 m 2 falló debido al anclaje insuficiente. A la derecha: los sedimentos observados durante la inspección bajo el agua Las inspecciones y el análisis presentan pruebas incuestionables del deterioro de la cara y de los resultados resultado s muy pobres de todas las medidas de reparación adoptadas hasta entonces. En mayo de 2008 una decisión preliminar se tomó para instalar un geocompuesto impermeable de cloruro de polivinilo (PVC) en la cara aguas arriba. El sistema de geocompuesto iba a ser instalado en un primer momento sobre las áreas más críticas. Ya que el embalse es fundamental para el abastecimiento de agua y el nivel del agua se puede bajar, pero debiendo cumplir las demandas de la población, el propietario decidió llevar a cabo las
obras en la zona más crítica con el nivel de agua a el. 295 m. La mayoría de los trabajos de reparación, por tanto, se llevará a cabo bajo el agua. Un contrato para el diseño del sistema de impermeabilización se adjudicó en julio de 2008 a Carpi sobre la base de la experiencia adquirida por la empresa en aplicación de sistemas de geomembrana sobre las presas tanto en seco como bajo el agua. La geomembrana fue diseñada para ser instalada sobre las zonas de fácil acceso obviando la necesidad nec esidad inmediata de remoción r emoción de los l os sedimentos. s edimentos. Las obras o bras de impermeabilización se llevaron a cabo en fases separadas, de acuerdo con la entidad de los daños y de la urgencia de la reparación. 14 930 m 2, desde el. 304 hasta el. 245 m, han sido revestidos por primero con filtraciones residuales totales aceptables ≤ 3.000 lt/s. La zona meno crucial será revestida en una fase posterior, en virtud de un contrato separado. La instalación actualmente en curso se llevará a cabo en parte con trabajo en seco por plataformas suspendidas, y en parte bajo el agua por buzos a partir de pantalanes flotantes ancladas en el embalse. El diseño tiene el mismo sistema conceptual de geomembrana expuesta por las partes secas y bajo el agua. Un aspecto crucial de los sistemas de geomembrana expuesta es el diseño del sistema de anclaje sobre las losas y el diseño de las juntas perimetrales, que debe tener en cuenta el levantamiento por el viento, las variaciones del nivel del agua y las olas. El sistema de anclaje adoptado en la parte seca de la cara es el sistema de tensado patentado de Carpi. El geocompuesto de PVC, como se muestra en la Figura 8, se cierra por dos tiras de acero, llamados "perfiles", el primero, en forma de U, anclado al talud de aguas arriba de la presa, y la segunda, en forma de Ω, instalada sobre el geocompuesto de PVC. La geometría de los dos perfiles logra la tensión y el drenaje del geocompuesto de PVC. Los perfiles se colocan con un espaciamiento regular en función de las cargas de diseño. En la sección bajo el agua, la geometría de los perfiles se ha modificado. Como se muestra en la Figura 8, en condiciones secas el sistema de tensión requiere una banda de cobertura de geomembrana de PVC soldada sobre los perfiles de tensión para lograr la estanqueidad. En condiciones bajo el agua, la soldadura no es factible por lo tanto los perfiles se modifican para ser intrínsecamente estancos. Las líneas de anclaje bajo el agua consisten en un perfil trapezoidal de acero inoxidable sujeto a la cara de la presa con anclajes mecánicos (Figura 9), y por un perfil plano de acero inoxidable que comprime las dos hojas de geocompuestos PVC adyacentes y superpuestos sobre el perfil trapezoidal. Empaques adecuados aseguraran una compresión uniforme a lo largo de los perfiles y el logro de una línea de fijación que es en sí estanca.
Figura 8.- El perfil “Ω"obliga el geocompuesto de PVC en una configuración que logra la tensión del geocompuesto
El geocompuesto está anclado a lo largo de todo el perímetro, por un sello perimetral para evitar la infiltración de agua detrás de él. El diseño final prevé un sistema que pueda permitir un futuro revestimiento de la junta longitudinal entre las placas y el plinto, si el propietario decide la eliminación eliminació n de los sedimentos. El geocompuesto geocompuesto PVC dejará de 2 m de la línea de sedimentos. La distancia de 2 m se basa en el supuesto de que para la eliminación eliminación de los sedimentos se utiliza un equipo de arrastre que tiene un radio de operación de tal manera que 2 m son una distancia de seguridad que permita evitar que las geomembranas se vean afectadas por la succión del equipo de arrastre. A lo largo del perímetro inferior de la zona impermeabilizada, se quedará más allá del sello perimetral un ancho adicional de geocompuesto de PVC; si en el futuro el propietario decida retirar los sedimentos, este geocompuesto PVC adicional se soldara estanco al geocompuesto de PVC que se instalará en las áreas donde los sedimentos se eliminarán. El mismo principio se ha adoptado a lo largo de todo el perímetro para permitir la conexión a la zona impermeabilizada en el futuro. Otra elección de diseño ha sido la de minimizar en lo posible la preparación de superficies a través del uso extensivo de materiales sintéticos. Las fisuras y pérdidas del material cementante en el concreto deteriorado resultan en la formación de grandes cavidades y en gran rugosidad. Se instalaron sobre toda la superficie una capa de soporte, compuesta de una geomalla con características de resistencia a la tracción para proporcionar la fuerza necesaria en las cavidades (Figura 9), y de una capa anti-pinchazos que consiste en un geotextil de poliéster de 2000 g/m2 colocado por encima de la geomalla,. Dos geomallas diferentes son previstas para las losas de la cara, una estándar para las grietas más pequeñas y una más pesada para las grietas y las cavidades más grandes. En la zona del cráter, se ha considerado necesaria una estructura rígida de acero de apoyo para garantizar que los buzos pueden instalar conabsorbido seguridad el el sistema de impermeabilización, de impermeabilización no es por cráter durante la operación. y que el revestimiento
Figura 9 y 10.- A la izquierda: geomalla de soporte. A la derecha: paneles de 8 m de ancho laminados y transportados a la cresta El r evestimiento evestimiento de impermeabilización es un geocompuesto formado por una geomembrana de PVC de 3 mm de espesor laminada durante la fabricación a un geotextil no tejido de 700 g / m 2. Debido a la altura del agua se consideró necesario un robusto geocompuesto. El geocompuesto ha sido suministrado en hojas de 2,10 m de ancho. Para la parte bajo el agua, cuatro hojas son pre-soldadas en el sitio para producir paneles de 7,7 m de ancho que permiten reducir al mínimo costosas operaciones bajo el agua (Figura 10). El sistema de anclaje a la cara en las zonas bajas, donde está instalada la geomembrana bajo el agua, sostendrá ninguna aspiración, sobre todo siendo cubierto por agua, por lo que el espacio entre las líneas de anclaje será mayor que q ue en la parte seca y estará en el espaciamiento de 7,4 m (Figura 11 ). En las zonas sobre el nivel del agua, basado en la succión más alta que se derivan de la posibilidad que estas zonas están expuestas al viento, las líneas de anclaje vertical serán con un espaciamiento de 3,7 m (Figura 12). Este espacio ha sido seleccionado para asegurar una transición fácil y eficiente entre las partes seca y bajo el agua, que se pueden lograr ya sea usando el mismo espacio, o un sub-múltiplo de 7,4 m.
Figura 11 y 12.- Izquierda: perfiles verticales de tensión para ser instalado bajo el agua se preparan en la cresta. Derecha: perfiles de tensión instalados en la zona seca Los sellos perimetrales son de tipo mecánico, sellado contra el agua en la presión. El sello se logra mediante la compresión del geocompuesto con tiras planas de acero inoxidable, 80 x 8 mm de sección. En seco las tiras serán atornilladas a la cara de la presa con anclajes químicos en espaciamiento espaciamien to de 0,15 m; bajo el agua, debido a los diferentes requerimientos del medio ambiente de trabajo, las tiras serán atornilladas a la cara de la presa con anclajes mecánicos en el mismo espacio. La configuración seleccionada tiene antecedentes exitosos en el campo con carga de agua de 198 m, y en el laboratorio con carga de agua de 240 m.
REPARACION DE JUNTAS / GRIETAS CON WATERSTOPS EXTERNOS Otra aplicación de las geomembranas sintéticas es su uso como waterstops externos sobre juntas y grietas. El sistema waterstop externo es un desarrollo del concepto adoptado por el sistema mencionado de geomembrana expuesta para impermeabilización impermeabilización de presas. En el sistema de geomembrana expuesta, la cara aguas arriba de la presa es revestida por una geomembrana impermeable de PVC elástico. En el waterstop externo, la geomembrana de impermeabilización de PVC, articulada en forma de una tira continua sobre la junta, es sellada en el perímetro por un sello mecánico del mismo tipo ya discutido. Más detalles se dan en la figura 15 y en el capítulo 6. El waterstop externo, lo que garantiza que la estanqueidad se mantiene a pesar del movimiento en las juntas, ha sido utilizado con éxito en la impermeabilización de juntas y grietas en presas de hormigón y presas de mampostería, en CFRD, y en presas en CCR, tanto en seco y bajo el agua.
Presa en CCR de Doña Francisca, Brasil Doña Francisca es una presa en CCR de 50 m de alto y 335 m de largo con un vertedero libre, y juntas de dilatación cada 20 m. Las levantadas de CCR tienen 30 cm de espesor. La cara aguas arriba está formada con una capa de hormigón impermeable impermeable de 0,5 m de espesor de. Al final de la colocación del hormigón, antes de la presa fue llenada, y después de fenómenos de contracción en el hormigón, parecían varias grietas en la cara de aguas arriba. Dos grietas importantes desarrolladas a través de casi toda la altura de la presa, otros tres o cuatro grietas se observaron de menor entidad. Las dos grandes grietas y una de las grietas más pequeñas eran verticales y parecían estar debidas a la contracción térmicas a pesar que la temperatura medida en la presa sea inferior al límite de diseño. Las otras grietas se inclinaban inclinaban y parecían ser debidas al asentamiento. Puesto que la causa de las grietas no estaba bien definida, fue seleccionado un sistema de geomembrana (waterstop externo) por su capacidad de mantener la estanqueidad, si las fisuras existentes se amplían o si las losas se fisuran ulteriormente. El diseño se basó en la presión del agua de 50 m. El waterstop externo fue colocado en las grietas grandes y pequeñas para una longitud total de aproximadamente 150 m (Figuras 13 y 14).
Figura 13 y 14.- Juntas de contracción nuevas, inesperadas, y grietas diagonales formadas en estribo izquierdo, estaban perfectamente impermeabilizadas con el mismo sistema, un geocompuesto impermeabilizante anclado sobre una capa de soporte flexible El revestimiento de impermeabilización, impermeabilización, geocompuesto PVC SIBELON CNT 3750 que consiste en una geomembrana de PVC de 2,5 mm de espesor junta a un geotextil de 500 g/m2 por medio de calor durante la extrusión, fue colocada sobre una capa de soporte formada por el mismo material. No mantenimiento se ha realizado después de la rehabilitación en el año 2000 hasta ahora. La estanqueidad del geocompuesto en las grietas no se ha visto comprometida y no se han detectado fugas.
Presa de contrafuertes de Usina da Pedra, Brasil 2009 Usina da Pedra, presa de bóvedas múltiples y contrafuertes, de 60 m de alto, está ubicada en el estado de Jequié en Bahía, en Brasil. Cuatro de las juntas de contracción entre los bloques de los contrafuertes fueron excesivamente excesivamente estresados, con lo que se propuso abrir las juntas para aliviar la tensión cortando un trozo y luego sellando con un waterstop externo entre el. 218 m y elevación de la cresta de la presa en la cota 232 m, de manera que la longitud de cada junta a sellar correspondía a 14,00 m. El sistema instalado en la presa Usina da Pedra consiste en una doble capa de sacrificio y una sola capa de sellado, todo consiste en un geocompuesto, SIBELON CNT 3750, una geomembrana de PVC de 2,5 mm de espesor unida durante la extrusión, a un geotextil de 500 g/m2 (Figura 15). Las dos capas de sacrificio de 41 cm de amplio, previne el colapso de la membrana en la junta evitando el riesgo de daños. La capa de sellado de 82 cm de ancho queda expuesta. Las capas de sacrificio son fijadas mecánicamente por anclas de impacto cada 30 cm en ambos extremos. La capa de sellado es anclada por perfiles planos de acero inoxidable puestos sobre un lecho de mortero epoxi y anclados cada 15 cm por varillas de acero inoxidable embebidas en anclajes químicos.
Figura 15.- Sección transversal del sistema externo waterstop sobre las juntas y grietas
SISTEMAS CON GEOMEMBRANA EN NUEVA CONSTRUCCION El sistema con geomembrana de PVC expuesta y drenada en la presa en CCR de Miel I, Colombia 2002 Con 188 m de alto, Miel I es la presa en CCR más alta del mundo, en la actualidad en pleno funcionamiento. Es una presa de gravedad recta construida en una estrecha garganta en Colombia. Para cumplir con calendario contractual, el diseño original de un paramento de aguas arriba hecho de hormigón armado colocado con encofrados deslizantes se cambió a un sistema de geomembrana de PVC expuesta y drenada, colocada sobre una zona de 0,4 m de espesor de CCR vibrado enriquecido enr iquecido con lechada. Este doble sistema si stema de estanqueidad es tanqueidad se s e consideró necesario debido a la altura de la presa. El uso de CCR enriquecido con lechada permite una buena compactación en la cara de la presa, asegurando un buen acabado de la superficie de concreto aguas arriba. La La mezcla del tiene un contenido de cemento cemento de 85 a 160 kg/m3; las juntas de contracción se colocan cada 18,5 m [3]. Las temperaturas en el sitio oscilan desde 18 hasta 38 °C, la coloca co locación ción del d el concret conc reto o se realizó real izó desde des de 26 hasta hast a 32 °C. El revestimiento de impermeabilización es un geocompuesto, que consiste en geomembrana de PVC laminada a un geotextil de polipropileno no tejido de 500 g/m 2. En la parte más baja de la presa, de la elevación 268 m hasta elevación 330 m, la geomembrana de PVC es de 3 mm de espesor, de la elevación 330 m hasta elevación 450 m es de 2,5 mm de espesor. La superficie total del talud de aguas arriba es 31.500 m 2. El anclaje del geocompuesto se realiza mediante perfiles de tensión paralelos verticales colocados en el espaciamiento de 3,70 m. Donde la altura de agua es más alta, es decir de elevación 268 m hasta elevación 358 m, los perfiles de acero inoxidable tienen un refuerzo central. El componente en forma de U del montaje de perfiles de tensión al encofrado, encofra y seconfiguración embebió endiferente las levantadas de se CCR de 0,3 alto (Figuras se 16 adjuntó y 17), dando lugardo, a una de la que muestra enmla de Figura 8. El segundo componente del montaje de perfiles de tensión, colocado sobre el geocompuesto
PVC y conectado al primer componente, cera y tensiona el revestimiento de PVC sobre el talud. Los perfiles son impermeabilizadas con tiras de PVC (Figura 18).
Figura 16, 17 y 18.- A la izquierda: perfiles en forma de U y el colector de drenaje conectado a los encofrados encofrado s se embeben en el CCR. Medio: perfiles en forma de U después de ser embebidos aparecen como ranuras verticales en la cara de la presa. A la derecha: perfiles de acero inoxidable están impermeabilizados con tiras de PVC El sistema de drenaje integrado en la cara detrás de la geocompues g eocompuesto to consiste en el espacio entre el geocompuesto y la cara de la presa, en el geotextil laminado a la geomembrana de PVC, en los conductos verticales formados por los perfiles de tensión, en un colector periférico integrado en el CCR, en las tuberías de descarga transversales que vierten en la galería, y en los tubos de ventilación que aseguran el flujo de agua a presión ambiente. El sistemaende se divide secciones horizontales (compartimentos), cada descarga la drenaje galería ubicada en en su 4 punto más bajo. Cada compartimento horizontal es uno a su con vez dividido en compartimentos verticales con descarga por separado. En total t otal hay 45 compartimentos separados que permiten un seguimiento preciso del comportamiento del sistema de impermeabilización. En correspondencia de las juntas de dilatación, dos capas de sacrificio de geocompuesto geocompues to prestan soporte al geocompuesto geocompuesto de impermeabiliz impermeabilización ación sobre la junta (Figura 19). El geocompuesto PVC se instaló en 6 secciones horizontales. Un sistema de carril móvil se utilizó para instalar el sistema de impermeabilización de PVC simultáneo e independiente de las actividades de CCR. El sistema de carriles se adjuntó a la presa en la cara por primera vez en unos 90 m sobre la cimentación y luego se trasladó a unos 140 m sobre la cimentación. Las plataformas deslizantes, de la que todas las actividades se llevaron a cabo, se suspendieron en el sistema de carriles (Figuras 19 a 21).
Figura 19 y 20.- Izquierda: la instalación de PVC casi completa en la sección inferior, y empezada empezada en la sección superior, donde se está colocando el geocompuesto de soporte en las juntas de contracción, desde la plataforma de la izquierda. Derecha: la instalación del geocompuesto de PVC con las plataformas suspendidas en el sistema de carriles colocados en la cota 407 m, mientras que la colocación del CCR está en curso sobre el sistema de carriles
La instalación por etapas permitió llenar la presa mientras que estaba en construcción (Figura 22), y seguir en la manera mejor la división del sistema de drenaje en compartimentos horizontales.
Figura 21 y 22.- A la izquierda: Miel I es la presa más alta en CCR en funcionamiento en el mundo, con 31.500 m 2 de la cara de aguas arriba totalmente cubiertos por una geomembrana de PVC expuesta que forma parte del diseño inicial. La geomembrana ha sido instalada coincidiendo con la colocación del CCR, lo que permite un programa de construcción más corto. A la derecha: geocompuesto PVC ya instalado en las secciones inferiores permitió llenar el embalse, mientras las obras de colocación del CCR y de impermeabilización estaban en curso La construcción del plinto de inyección se hizo tras la colocación del CCR. Un geocompuesto de PVC, colocado sobre las levantadas de CCR y sobre la roca natural de excavación, impermeabiliza impermeabili za el plinto. La impermeabilización impermeabilización del plinto es herméticamente conectada a la impermeabilización de la cara arriba de la presa por un sello mecánico. El sello de estanqueidad logra comprimiendo el geocompuesto de PVC con tiras de 80 x 8 mm en acero inoxidable sobre el cemento regularizado con resina epoxi; juntas de goma y placas de empalme aseguran que la compresión se distribuya uniformemente. Este tipo de sello, probado a 2,4 MPa, se coloca también en cresta, para resistir rebases. La construcción de la presa se inició en abril de 2000 y finalizó en junio de 2002, en total 26 meses. El cambio de diseño permitió cumplir con los tiempos, y el ahorro de varios millones de dólares a causa de disminución del contenido de cemento, más rápida conclusión, anterior generación de energía.
El sistema waterstop externo El diseño convencional para la impermeabilización impermeabilización de las juntas de expansión/contracción se basa en el concepto de suministro de líneas múltiples de waterstops, suponiendo que están fabricadas con materiales deformables suficientes para resistir el movimiento de las juntas. Una línea vertical de drenaje es creada normalmente detrás del waterstop para interceptar posibles ffugas. ugas. Esta propuesta puede discutirse sobre la base de que waterstops convencionales permiten sólo la deformación en la parte central del bulbo, y experiencia de campo ha demostrado que no siempre son eficientes en el alojamiento alojamiento de movimiento en las juntas durante el servicio como el waterstop está vinculado en los bloques monolitos contiguos y la deformación máxima que puede enfrentar es función del espacio libre entre los bloques. El enfoque teórico dice que la elongación máxima que un waterstop PVC puede absorber es de aproximadamente el 250% del espacio libre, es decir, unos 10 mm. La experiencia demuestra que las deformaciones pueden superar con creces este valor. Además su instalación es bastante complicado en una operación altamente mecanizada. Un enfoque alternativo adopta el concepto de la instalación de una sola línea de defensa más eficiente que es capazy de el movimiento Un geocompuesto de PVC se que instala en la cara completa, se acomodar apoya sobre la junta conprevisto. una estructura de soporte que impide la lámina de impermeabilización se derrumba en la junta que trabaja a máxima apertura bajo la carga máxima de agua. La estructura de soporte es específica del lugar, y generalmente incluye
una o más capas de materiales geosintéticos (geotextil anti-pinchazo, geocompuesto de sacrificio) y, en algunos casos un soporte rígido. El geocompuesto impermeabilizante se coloca sobre el soporte en forma de una banda vertical típicamente desde 40 a 60 cm de ancho, sellada herméticamente al perímetro con el sello mecánico como se ha explicado ya para sellos bajo de agua en las historias clínicas anteriores. Waterstops externos son más rendimientos que los tradicional t radicionales es en PVC embebidos. El geocompuesto impermeabilizante y sus capas de soporte pueden deformarse en toda la anchura (40 a 60 cm), con capacidad de adaptarse libremente a los movimientos de las juntas, para que no hay discontinuidad en la impermeabilización durante la operación de la presa. A través de su conexión al nivel del plinto, este sistema proporciona prácticamente una línea ininterrumpida de defensa en la correspondencia correspondencia de las juntas, desde la cresta hasta la fundación. f undación. Waterstops externos reducen las interferencias interferencias de elementos elementos embebidos, lo que permite rápida rápida y "limpia" construcción, sin el cuidado adicional necesario para el waterstop embebido. La productividad del CCR sube si la colocación de waterstops embebidos no es además necesaria. La impermeabilización impermeabili zación de las juntas puede ser realizada por personal especializado, especializado, en breve tiempo, con total independencia del contratista principal, aliviando las actividades y las incertidumbres relacionadas con la instalación de los waterstop tradicionales en PVC por los equipos no especializado. especializ ado. Waterstops externos se pueden construir en una etapa posterior, sin afectar el calendario de construcción de la presa. Pueden ser diseñados para dar cabida a cualquier tipo de movimiento y presión hidrostática.
Presa en CCR de Porce II, Colombia 2000 Porce es un está gran formada presa en por CCRuna de 118 m de altura construida en 2000 Colombia. Su cara aguas IIarriba extrusora de bordillos (Figura 23). en Todas las juntas de contracción, a una distancia promedio de 35 m, se impermeabilizan con el sistema waterstop externo. En concreto, en Porce II el sistema consiste en una capa de sacrificio/soporte y una capa de impermeabilización. impermeabilización. El soporte consiste en una parte rígida y una flexible. La parte rígida se compone de dos placas de acero inoxidable ancladas a lo largo de un borde, y de una banda de teflón para reducir la fricción en la solapadura solapadur a y permitir des deslizamiento lizamiento de las placas (Figura (Fi gura 24). La parte flexible fl exible de la estructura de soporte está compuesta por un geotextil de poliéster de 2000 g / m², anclado a lo largo de un borde y que suministra protección anti-pinchazos a los bordes de deslizamiento de las placas de acero, y por un geocompuesto de PVC de sacrificio/soporte anclado a lo largo de un borde (Figura 25). Los componentes flexibles proporcionan un soporte extra y son elementos de baja fricción, de modo que el movimiento de la junta puede ocurrir sin afectar el geocompuesto impermeabilizante. La capa de impermeabilización de PVC cuenta con un geocompuesto, SIBELON CNT 5050, consistente en una geomembrana PVC de 3,5 mm de espesor, junta por calor durante la extrusión a un geotextil de poliéster de 500 g/m 2. El geocompuesto se centra en la junta y la cubre por una anchura total de unos 40 cm (Figura 27). El geocompuesto es anclado herméticamente a lo largo de su perímetro por perfiles planos de acero inoxidable que lo comprimen contra el hormigón que es formado f ormado por el equipo extrusor y regularizado regularizado por el recorte de las compensaciones y por una capa de resina epoxi. La juntas sintéticas distribuyen la tensión para lograr una compresión uniforme. El geocompuesto PVC está expuesto. A nivel del plinto, el geocompuesto de PVC que impermeabiliza las juntas verticales se conecta directamente a la roca. El diseño final del waterstop se basó y se verificó por pruebas en un recipiente a presión bajo una carga hidrostática de 2,4 MPa y apertura de la junta de 35 mm. El instituto de investigación investigación hidráulica Ismes en Italia ha supervisado y aprobado el sistema. Conclusiones de Ismes fueron: "Los resultados de la prueba de sello hermético (pruebas de la permeabilidad de las muestras y de la malla de filtración) se analizaron para determinar la cantidad de filtraciones causadas por la permeabilidad del concreto mismo. Esto permitió afirmar que la estanquidad de la junta Carpi es buena, y que las principalmente filtraciones recogidas en el interior deldel recipiente durante losque ciclos carga se deben a la filtración a través bloque de de ensayo hormigón, por lo no de se deben asociar a una estanqueidad defectuosa de los elementos que constituyen el sistema de
impermeabilización". Y “La prueba de anti-intrusión, realizada en condiciones más conservadoras que las previstas en el campo, cumplieran las especificaciones de diseño."
Figura 23 y 24.- Izquierda: las juntas de contracción antes de la instalación del waterstop externo. A la derecha: placas de acero inoxidable ancladas a lo largo de un borde
Figura 25 y 26.- Izquierda: los componentes flexibles del waterstop externo Carpi. El geotextil anti- pinchazo de 2000 g/m 2 , el geocompuesto de sacrificio y el geocompuesto impermeabilizante. A la derecha: el waterstop externo se ha instalado en todas las juntas de contracción de la presa de 118 m de altura durante la construcción
Figura 27 y 28.- Izquierda: vista del exterior de waterstops instalados en la cara aguas arriba de la presa. Derecha: vista de la presa en CCR
CONCLUSION Los sistemas de geomembranas de PVC tienen en los últimos 50 años demostrado ser de alto rendimiento y una solución técnicamente correcta para presas, canales, túneles y en general todas las estructuras hidráulicas. Gracias a sus características, las geomembranas de PVC han proporcionado impermeabilidad a todo tipo de estructura hidráulica, mientras resisten los efectos del asentamiento, el movimiento diferencial y la carga sísmica, y por lo tanto las estructuras revestidas con geomembranas han experimentado experimentado filtraciones insignificantes en comparación con las que no tienen geomembranas. Las geomembranas se han también empleadas con éxito sobre las presas nuevas y existentes como waterstops externos para reducir eficazmente las fugas en las juntas y grietas. Las geomembranas han demostrado ser rentable en obra nueva como en la reparación, gracias a simplificar y acelerar la construcción, que permite llenar anteriormente el embalse, embalse, y procedimientos de construcción y garantía de control de calidad menos estrictos, que permiten un ahorro adicional.
Referencias [1] ICOLD (2010) – “International Commission on Large Dams. Bulletin 135 – Geomembrane sealing systems for dams – Design principles and review of experience”, experience ”, Paris, France. [2] CAZZUFFI, D. (1998) - “Longterm performance of exposed geomembranes on dams in Italian Alps” th Proceedings, 6 International Conference on Geosynthetics, Atlanta, USA. [3] MARULANDA, A.; CASTRO, A.; RUBIANO, N.R. (2002) - “Miel I: a 188 m high RCC dam in Colombia”Proceedings, The International Journal on Hydropower & Dams, Vol. 9, No. 3.
