Impermeabilizacion de Lagunas Artificiales

,

IM PERMEABI Ll ZACION

DE LAGUNAS ARTIFICIALES

GABRIEl AUVINET

· RAÚL ESQUIVEL

8!· LIMUSA SOCIEDAD

MEXI CAN.A

DE

,

MECANICA

DE

SUELOS. A. C.

~¡e)

@})

e3

IMPERMEABILIZACION DE LAGUNAS ARTIFICIALES

.1 1

IMPERMEABILIZACION DE LAGUNAS ARTIFICIALES GABRIEL AUVINET RAUL ESOUIVEL

~

ii

SOCIEDAD

MEXICANA

MEXICO

•

DE

ESPAÑA

COLOMBIA

MECANICA

•

DE

VENEZUELA

•

SUELOS. A. C.

•

ARGENTINA

PUERTO RICO

-----------------------

©

Copyright, México, 1986 SOCIEDAD MEXICANA DE MECA~ICA DE SUELOS, A.C. Valle de Bravo 19, Col. Vergel de Coyoacán, 14340-México, D. F., México

La pres•mtación y disposición en conjunto de IMPERMEABILIZACION DE LAGUNAS ARTIFICIALES son propiedad de la SMMS. Ninguna parte de esta obra puede ser reproducida o transmitida, mediante ningún sistema o método, electrónico o mecánico (incluyendo el fotocopiado, la grabación o cualquier sistema de recuperación y almacenamiento de información), .•in consentimiento por e.•crito del editor.

Derechos reservados:

© 1986, EDITORIAL LIMUSA, S.A. de C.V. Balderas 95, Primer piso, 06040 México, D. F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial. Registro Núm. 121 Primera edición: 1986 Impreso en México (6281)

ISBN 968-18-2342-7

MESA DIRECTIVA DE LA SOCIEDAD MEXICANA DE MECANICA DE SUELOS, A.C. (1985 - 1986)

Raúl López Roldán Jorge Flores Núñez Luis Montañez Cartaxo Luis B. Rodríguez González Carlos Casa les Galván Alfredo l. Mart ínez Cruz Manuel Mendoza López Héctor Va lverde Landeros

CONSEJO CONSULTIVO DE LA SOCIEDAD

Guillérmo Springall Cáram Edmundo Moreno Gómez Carlos Orozco y Orozco Lui s Vieitez Utesa Gabriel Moreno Pecera

iii

PROLOGO

El 62% de los mexicanos vive en las zonas áridas que abarcan prácticamente la mitad del territorio nacional y recibe menos del 10% de los recursos hidricos del pais. Estos simples datos muestran las dificultades a las que debe enfrentarse México para la mejor conservación, uso y reciclaje de su· agua. Esta situación se agrava por la creciente demanda de generación de energía eléctrica y los múltiples desarrollos urbanos, industriales y agricolas, que obligan al uso cada vez más frecuente de grandes lagunas artificiales, cuya impermeabilización resulta imprescindible. La Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos, en su afán de divulgar las experiencias geotécnicas de importancia para el pais, solicitó la autorización de la Comisión Federal de Electricidad y del Instituto de Ingeniería, UNAM para publicar el trabajo "Impermeabilización de Lagunas Artificiales", realizado por los ingenieros Gabriel Auvinet Guichard y Raúl Esquivel Díaz en dicho Instituto para la CFE. La profunda revisión que estos distinguidos miembros de la Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos hicieron de la literatura existente, aunada a su personal capacidad geotécnica, enriquecida con las experiencias obtenidas en el diseño y la supervisión directa de la construcción de varias lagunas artificiales, dan relieve especial a la pressnte publicación. Esta cubre ampliamente los criterios de impermeabilización actuales e incluye un capitulo de instrumentación y observaciones y dos anexos, uno relativo a las experiencias obtenidas en algunas lagunas construidas en México y el otro a los ensayes de permeabilidad de campo y laboratorio usuales en este tipo de obras. Seguramente, dado que se trata de una en castellano sobre el tema, será una terios de los responsables del diseño les no sólo en México sino también en

de las pocas publicaciones escritas referencia valiosa para normar criy construcción de lagunas artificiaotros paises de habla hispana.

Raúl López Roldán Presidente SMMS (1985-86)

V

------------------------------------------------------

ESTANQUE

DE ENFRIAMIENTO, PLANTA TERMOELECTRJCA DE RIO

(Superficie: 300 ha, impermeabilizado con arcilla

ESCONDIDO, COAH.

compactada )

CONTENIDO Pág. l.

INTRODUCCION

2.

DISEÑOS USUALES DE LAGUNAS

3

2.1 Concepción general 2.2 Diseño de bordos 2.2.1 Tipo de material constitutivo del bordo 2.2.2 Ancho de corona 2.2.3 Bordo libre (distancia vertical entre el nivel de la corona y el nivel máximo normal del líquido) 2.2.4 Estabilidad de taludes de los bordos 2.2.5 Seguridad de la cimentación 2.2.6 Filtros 2.2.7 Protección contra oleaje y erosión 2.3 Obras 2. 3.1 2.3.2 2.3.3 3.

auxiliares Obra de descarga de la alimentación Cárcamo de bombeo Obra de vaciado

EVALUACION DE LA NECESIDAD DE IMPERMEABILIZACION

7

3.1 Mecanismos de filtración 3.1.1 Estudio teórico de las infiltraciones 3.1.2 Mecanismos•secundarios de filtración 3.2 Estudio geoty~ico 3.2.1 Consideraciones generales 3.2.2 Exploración y pruebas de campo 3.2.3 Ensayes de laboratorio 3.3 Análisis económico de la conveniencia de impermeabilizar 4.

TECNICAS DE IMPERMEABILIZACION

13

4.1 Consideraciones generales 4.2 Mecanismos de sellado natural y tratamientos químicos 4.3 Revestimientos rígidos 4.3.1 Revestimientos de concreto hidráulico y concreto lanzado 4.3.2 Revestimientos de suelo-cemento 4.3.3 Revestimientos de concreto asfáltico 4.4 Revestimientos flexibles 4.4.1 Membranas sintéticas 4.4.2 Membranas asfálticas 4.4.3 Elementos prefabricados a base de asfalto 4.4.4 Revestimientos a base de suelos compactados

V

ii

Pág. 5.

ALGUNOS ASPECTOS DE LA TECNOLOGIA DE LA IMPERMEABILIZACION CON SUELOS COMPACTADOS 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6

6.

17

Consideraciones generales Selección de material Preparación del material Colocación Protección Efecto de la compos1c1on del fluido almacenado sobre la evaluación de la permeabilidad

ALGUNOS ASPECTOS DE LA TECNOLOGIA DE LA CON MEMBRANAS SI NTETI CAS

IMPERMEABILIZACION 21

6.1 Consideraciones generales 6.2 Fabricación

6.3 Principales tipos de membranas 6.3.1 Cloruro de polivinilo (PVC) 6.3.2 Polietileno (PE) 6.3.3 Polietileno clorinado (CPE) 6.3.4 Hule butilo 6.3.5 Neopreno 6.3.6 Hypalon 6.3.7 Poliolefin elastizado (3110 o MX 2000) 6.4 Métodos de empalme 6.4.1 Método dieléctrico 6.4.2 Método térmico

6.4.3 Unión con solvent~ 6.4.4 Unión con adhesivos 6.5 Selección del tipo de membrana 6.6 Instalación 6.6.1 Preparación del sitio 6.6.2 Nivel freático alto y zonas de emanación de gases 6.6.3 Colocación de la membrana 6.7 6.8 6.9 6.10 7.

Subdrenaje Protección Detalles constructivos Mecanismos de fa 11 a

INSTRUMENTACION Y OBSERVACION DEL COMPORTAMIENTO 7.1 Objetivos de la instrumentación 7.2 Instrumentación de los bordos 7.2.1 Asentamientos de la corona 7.2.2 Movimientos horizontales 7.2.3 Funcionamiento del filtro 7.3 Evaluación de la estanqueidad de la laguna 7.3.1 Medición de las filtraciones 7.3.2 Corrección por evaporación viii

37

Pág. 8.

CONCLUSIONES

39

9.

REFERENCIAS

41

ANEXO!, ALGUNAS LAGUNAS CONSTRUIDAS EN MEXICO I.A

ESTANQUE DE ENFRIAMIENTO DE LA PLANTA TERMOELECTRICA DE RIO ESCONDIDO, COAH. I.A.l I.A.2 I.A.3 I.A.4 I .A.5 I.A.6 I.A.?

I.B.

43 43

Descripción general del proyecto Impermeabilización con un revestimiento de arcilla Bordos de tierra Estructura de toma Estructuras de purga Conclusiones Referencias

LAGUNA DE CONCENTRACION Y VASOS DE CRISTALIZACION DE CERRO PRIETO, B.C.N.

49

I.B.l Descripción general del proyecto I.B.2 Condiciones del subsuelo I.B.3 Diseño geotécnico y construcción del estanque de evaporación solar I.B.4 Diseño y construcción de las lagunas de cristalización I.B.5 Conclusiones I.B.6 Referencias I.C

DISEÑO DEL REVESTIMIENTO DE UN LAGO RECREATIVO I.C.l I.C.2 I.C.3 I.C.4

I.D

I.E

Características del lago Subsuelo Evaluación del problema Referencias

ANALISIS DE LA FALLA DE UN REVESTIMIENTO DE CONCRETO ASFAL TICO-ARCILLA I. D.l I.D.2 I.D.3 I. D.4 I.D.5 I.D.6

58

Introducción Características del subsuelo y del lago artificial Configuración y profundidad de las grietas Interpretación Conclusiones Referencias

REDUCCION DE LAS FILTRACIONES DE UNA LAGUNA DE PRUEBA CON UNA TRINCHERA DE LODO I.E.l I.E.2 I.E.3 I.E.4 I.E.5 I.E.6

55

Introducción Subsuelo Trinchera de lodo (Slurry trench) Observación del comportamiento Conclusiones Referencias ix

62

Pág.

I.F

64

LAGO NABOR CARRILLO, TEXCOCO I.F.l I.F.2 I.F.3 I.F.4

Introducción Diseño de bordos Estanqueidad del lago Referencias

ANEXO II. ENSAYES DE PERMEABILIDAD DE CAMPO Y DE LABORATORIO II.A

II.B

67

PRUEBAS DE CAMPO II.A.l II.A.2 II.A.3 II.A.4

Prueba Lefranc-Mandel Prueba de Nasberg (Pozo de absorción) Método del permeámetro de pozo: prueba USBR E-19 Referencias 72

PRUEBAS DE LABORATORIO II.B.l II.B.2 II.B.3 II.B.4

67

Un permeámetro de carga variable Procedimiento de prueba Ejemplos de resultados Referencias

X

1. INTRODUCCION

La necesidad de almacenar volúmenes importantes de agua o de otros líquidos para fines de desarrollo urbano, industriales y agrícolas, obliga al hombre a construir cada vez con mayor frecuencia lagunas artificiales de grandes dimensiones. Los tipos más comunes de lagunas son los siguientes: Almacenamientos de agua para riego - Vasos reguladores superficiales

para control

- Almacenamientos de desechos o de aguas negras - Estanques de eléctricas

enfriamiento

de escurrimientos

líquidos para

industriales

plantas

termo-

- Lagunas de evaporación para la industria química - Lagunas solares para la producción de energía eléctrica - Lagunas para piscicultura - Lagos recreativos -Almacenamientos utilizados como precarga consolidación de suelos compresibles.

directamente aplicable en todos sus aspectos. En las lagunas artificiales, es común que se almacene un producto escaso, contaminante o de alto valor económico; el problema del control de filtraciones reviste entonces una especial importancia. Lo anterior ha dado lugar, principalmente en los últimos 20 años, al desarrollo de una gran variedad de técnicas de impermeabilización. Sin embargo, pocos ingenieros se encuentran preparados para decidir adecuadamente si la impermeabilización de una laguna es realmente necesaria y para escoger la técnica más apropiada para lograrla. A esta situación contribuye la información sesgada por intereses comerciales que es común encontrar en la literatura técnica o técnico-comercial.

para

El diseño y la construcción de estas estructuras hidráulicas presentan problemas específicos que hacen que la tecnología usual de las presas no resulte

El objetivo de la presente publicación es precisamente normar el criterio de los diseñadores y constructores de lagunas. La experi ene i a que los autores pretenden transmitir fue obtenida a través de una extensa revisión de la literatura y de su participación en el diseño y supervisión directa de la construcción de varias obras de este tipo en México (Anexo I). Su especialización en geotecnia les hizo tender naturalmente a desarrollar más en detalle el problema de la evaluación de la necesidad de la impermeabilización, incluyendo el estudio geotécnico del sitio de construcción y los métodos de impermeabilización a base de suelos compactados que, frecuentemente, son además los más adaptados a las condiciones nacionales. Sin embargo, el lector encontrará también en esta monografía una revisión completa de los diferentes métodos alternativos de impermeabilización.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

2. DISEÑOS USUALES DE LAGUNAS

2.1 Concepción general

Aun cuando la forma en planta de la laguna puede ser cualquiera, lo comGn es que sea simple para facilitar la construcción: rectangular o cuadrada. Las lagunas cuentan generalmente con diversas obras auxiliares, principalmente: obra de descarga de la alimentación, cárcamo de bombeo y obra de vaciado o válvula para sedimentos.

La selección del sitio para la construcción de una laguna debe tomar en cuenta principalmente los siguientes factores: capacidad de almacenamiento requerida, necesidades de elevación (presión), topografía, estudios de impacto ambiental, disponibilidad y costo del terreno e información geotécnica preliminar.

2.2 Diseño de bordos

Las lagunas artificiales se construyen generalmente por excavación del terreno natural y formación de un bordo perimetral a fin de aumentar la capacidad de Una parte del agua queda entonces almacenamiento. retenida abajo del nivel del terreno natural y otra parte arriba (fig 1). Si el suelo natural presenta características adecuadas, el producto de la excavación se emplea para la construcción del bordo. Con frecuencia, el almacenamiento se sobreexcava a mayor profundidad que la re~erida por el proyecto ya que los depósitos natura 1es de suelo norma 1mente no tienen las características adecuadas para un desplante directo. Se sustituye entonces el material sobreexcavado por un relleno seleccionado bien compactado. Cuando la permeabilidad del terreno y de 1os bordos o las características del fluido almacenado lo hacen necesario, los taludes y el fondo se recubren con un revestimiento impermeabilizante adecuado que reduce las pérdidas de líquido por filtración.

Los bordos suelen diseñarse recurriendo a las técnicas usuales para presas pequeñas (refs 1 a 3). Destacan los aspectos siguientes:

2.2. 1 Tipo de material constitutivo del bordo El bordo puede construirse con muy diversos materiales térreos. Si 1a laguna va a ser impermeabilizada con un revestimiento continuo, el material puede ser inclusive permeable. Generalmente, la secc1on transversal del bordo es de tipo homogéneo u homogéneo modificado con filtro horizontal o vertical (2.2.6). Para bordos sin revestimiento impermeable los material es deben seleccionarse tomando en cuenta su clasificación dentro del Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (ref 3) y su correspondiente susceptibilidad a diferentes procesos que pueden afectar el comportamiento del bordo y en particular la erosión y el agrietamiento (ref 4). En general, es conveniente evitar el uso de materiales orgánicos, erosionables o demasiado plásticos.

La" principal ventaja de las lagunas construidas en esta forma es su bajo costo. Con el advenimiento de equipo pesado para movimiento de tierras, este tipo de construcción puede real izarse en forma eficiente y económica, lo que explica que las lagunas artificiales tengan actualmente tanta aceptación.

2.2.2 Ancho de corona La corona de los bordos de lagunas no debe tener un ancho menor que el requerido para que el equipo de

Bordos compactados

Nota: Sin escala

Fig

Sección transversal típica de una laguna construida por excavación y formación de bordos 3

------ --------------------------------------------

compactación pue~a trabajar en bu~nas condiciones (genera 1mente mas de 3 m). Además, e 1 ancho debe ajustarse en su caso a las necesidades de tránsito para la operación de las lagunas. El ancho Útil no i nc 1uye 1os sobreespesores de materia 1 sin compactar que suelen agregarse a la sección de proyecto ni la protección contra o 1e aje. Conviene ser generoso en la selección del ancho para evitar accidentes durante y después de la construcción.

deflector de olas por lo menos en las zonas más expuestas, y reducir el bordo libre (ref 5). 2.2.4 Estabilidad de taludes de los bordos La estabilidad de los tal udes de los bordos perimetrales no plantea generalmente problemas serios puesto que los terraplenes son de poca altura. Además, la pendiente de los taludes queda frecuentemente definida por el tipo de cimentación o de revestimiento con el que se recubren, más que por consideraciones de estabilidad del bordo. Sin embargo, es conveniente que, en todos los casos, se revise el factor de seguridad de los taludes para las condiciones más críticas previsibles y en particular para la condición de vaciado rápido que podría presentarse en caso de emergencia. Lo anterior es particularmente cierto si se usan para la construcción materiales blandos con alto grado de saturación, lo que además no es recomendable por otros motivos (posibilidad de agrietamiento, asentamientos ex ces ivos, etc).

2.2.3 Bordo libre (distancia vertical entre el nivel de la corona y el nivel máximo normal del líquido) Con excepción del caso de los vasos reguladores, la definición del bordo libre no depende, como en el caso de las presas, de eventuales avenidas máximas puesto que la alimentación de la laguna se hace, en la mayoría de los casos, por bombeo. Por otra parte, las lluvias, por abundantes y prolongadas que sean, solamente pueden provocar una elevación de nivel del orden de algunos centímetros. General mente, es suficiente tomar en cuenta los conceptos siguientes:

2.2.5 Seguridad de la cimentación - Sobreelevación del agua causada por el actuar sobre el área de almacenamiento

viento

al Es importante verificar la posibilidad de falla por deslizamiento a lo largo de una superficie que pase por un estrato de material de baja resistencia de la cimentación. Conviene tomar en cuenta que la presencia de un almacenamiento d~ agua puede reblandecer por saturación materiales que, en estado seco, presentan una alta resistencia. Es necesario revisar además la posibilidad de falla por tubificación del suelo de cimentación (ref 6).

La so bree l evac i ón depende de la dimensión del área expuesta en dirección del viento hacia el bordo (fetch) y de la profundidad media de la laguna (ref 2). En el caso de las lagunas artificiales, la definición del fetch se enfrenta a la dificultad de evaluar la protección contra el viento que proporciona el bordo perimetral. Es conveniente ser conservador en este aspecto y, salvo estudios especiales, considerar como fetch la longitud total de la laguna en la dirección del viento. -Altura de rodamiento de las olas sobre el arriba del nivel de agua de referencia

2.2.6 Filtros La incorporación de un filtro dentro del cuerpo del terraplén es una precaución costosa pero frecuentemente justificada, en particular en los casos siguientes:

talud

Esta altura es del orden de la ola máxima (cresta a valle) para bordos con protección pétrea y con tal udes de 2 a 3 horizontal por 1 vertical, pero puede alcanzar el doble para superficies lisas, en particular para revestimientos sintéticos (ref 2).

-Si existe peligro de agrietamiento vertical por asentamientos diferenciales debidos a la compresibiiidad y heterogeneidad de la cimentación. - Si los materiales constitutivos erosionables o dispersivos (ref 7).

- Asentamiento de la corona El asentamiento de la corona depende del tipo de material de cimentación y del empleado para la construcción del bordo, así como de la posibilidad de saturación de los mismos. Puede estimarse por las técnicas usuales de mecánica de suelos o ITiedlan~e relaciones empíricas (ref 2).

del

bordo

son

En ambos casos, la función del filtro es evitar que el agua infiltrada alcance a salir por el talud seco del bordo y se in i e i e un proceso de erosiÓn di recta o regresiva (tubificación). Los tipos de filtros presentan en la fig 2.

más

comunes

son

los

que

se

- Margen de seguridad El margen de seguridad en el caso de lagunas artificiales puede ser menor que para bordos tradicionales sometidos a avenidas de difícil predicción; sin embargo, debe tomarse en cuenta la profundidad de agrietamiento por secado. Genera 1mente, un valor del orden de 50 cm es el mínimo margen de seguridad aceptable.

El filtro horizontal de la fig 2a es el más económico y fácil de construir; sin embargo, su eficiencia para abatir la línea superior de flujo depende de la relación entre permeabilidad horizontal y vertical obtenida en el cuerpo del bordo, la cual puede ser muy sensible a defectos en el procedimiento constructivo y en particular a una deficiente liga entre capas compactadas.

El bordo libre respecto a la altura máxima de operac10n de la laguna debe ser igual a la suma de las cuatro magnitudes anteriores. Si el valor obtenido conduce a grandes vo 1 úmenes de terracerí as, es conveniente evaluar las ventajas económicas que puede presentar emplear un

La chimenea vertical presenta mayor probabilidad de un buen comportamiento puesto que interrumpe necesariamente el flujo del agua. Para que pueda ser construida en buenas condiciones, su ancho no debe ser menor de 60 cm. Es necesario evitar la contamina-

4

ción de la arena con el material más fino del terraplén. Generalmente, la arena se compacta por vibración en seco o en estado totalmente saturado. La chimenea de arena debe combinarse con un sistema de drenaje que conduzca el agua infiltrada hacia el exterior. Este sistema puede consistir en tramos de filtros horizontales ligados a la chimenea o en tubos de concreto perforados. Esta última solución debe evitarse si se cuenta con suficiente material granular, debido al peligro siempre existente de rotura de los tubos enterrados.

Deflector (opcional)-,

grava-areno

~

Bordo compactado

[Bordo compactado

~"(continuo) hod"""'

Fig 3 Ejemplo de protección contra oleaje a base de enrocamiento

¡_-. ·. ·o:;c:::Qjf'

Los bordos pueden también protegerse contra erosión con suelo-cemento (refs 10 y 11). Se usan generalmente suelos arenosos con 10 a 25% de finos en espesores no menores de 60 cm perpendicularmente al talud. Se han construido inclusive bordos completos con suelo-cemento (ref 12).

o) Horizontal

: #A~z

También es posible emplear protecciones a base de concreto hidráulico o asfáltico semejantes a las usadas para revestimiento de canales (refs 3 y 13).

/

Finalmente, debe mencionarse que, recientemente, se han desarrollado nuevos productos prefabricados constituidos por bloques de concreto 1igados a una tela filtrante, que pueden colocarse por paneles completos con una pequeña grúa (ref 14). Existe todavía poca experiencia con estos productos, en part i cu 1ar respecto a 1 comportamiento a 1argo p1azo de la tela sintética.

b) Vertical (e himeneo)

Fig

2 Filtros usuales

Los bordos recubiertos con una membrana sintética impermeable se encuentran parcialmente protegidos contra erosión y oleaje. Sin embargo, el oleaje puede llegar a maltratar mecánicamente las membranas delgadas y contribuir a romperlas junto con los agentes ambientales (radiación solar, viento, etc) y En 1os residuos só 1idos flotantes (troncos, etc). general, es por tanto conveniente prever en el diseño una protección complementaria a base de material granular (grava o enrocamiento) o contreto hidráulico o asfáltico.

El material empleado para el filtro puede ser una arena para concreto (ASTM C 33) si el cuerpo del bordo es de arcilla, o una arena para asfalto si el material es limoso. Una discusión detallada de los criterios para el diseño de filtros se presenta en la ref 8. 2.2.7 Protección contra oleaje y erosión La protección con enrocamiento es la más común en el caso de bordos no revestidos. La dimensión de las rocas y el espesor de la protección dependen de la pendiente del talud y de la altura de la ola máxima esperada. Al respecto, pueden aplicarse los criterios usuales para la protección de presas (refs 3 y 9). Generalmente, la protección pétrea se coloca sobre un filtro de material granular más fino que retiene el suelo compactado del bordo y queda a su vez retenido por el enrocamiento (fig 3). También se han usado geotextiles en sustitución del filtro de arena (anexo I.F).

2.3 Obras ·auxiliares 2.3. 1 Obra de descarga de la alimentación En general, las lagunas artificiales están alimentadas por una tubería conectada . a pozos, por un acueducto proveniente de algún río, por la descarga de una planta industrial, etc. Para la recepción de esta alimentación, es conveniente construir una pequeña estructura cuya función es impedir la erosión de los bordos o del fondo de la laguna bajo el efecto del chorro de la descarga. Esta estructura puede ser desde una simple protección local de enrocamiento o concreto hasta un cárcamo con vertedor que permita mantener constante el nivel de descarga y con ello haga posible que las bombas trabajen en condiciones constantes de carga hidráulica.

Cuando se encuentren dificultades para conseguir rocas de tamaño suficiente, es posible recurrir a gaviones, es decir, a jaulas de alambrada que se rellenan con piedras. Esta solución es costosa y sólo debe considerarse para las zonas más afectadas por el oleaje o como medida correctiva en caso de fallas locales. 5

------·---·-----------------------------------------------------------------------------------------------

2.3.2 Cárcamo de bombeo

2.3.3 Obra de vaciado

Para recuperar el liquido almacenado en la laguna es necesario en muchos casos disponer de un cárcamo de bombeo. En el caso de laguna5 para enfriamiento en las que se recirculan volúmenes importantes de agua, esta estructura es de grandes dimensiones (anexo I.A). Puede ser necesario proteger las bombas con un sistema de rejillas que retenga las plantas y desechos que pudieran dañarlas. Es preferible que las tuberias del sistema de bombeo no pasen a través del bordo perimetral abajo del nivel del almacenamiento. Numerosas fallas han sido registradas debido a filtraciones y erosión en el contacto entre tubería y terraplén.

Las lagunas de cierta importancia deben contar con una obra de vaciado que permita purgarla para mantenimiento y/o para evacuar rápidamente el fluido almacenado en condiciones controladas en caso de falla incipiente de bordos u otros tipos de emergencias. El gasto que debe poder pasar por esta obra es el máximo compatible con la capacidad de absorción del sistema hacia el cual se descarga el fluido (drenaje, río, etc). Siempre deben analizarse con cuidado las consecuencias que tendría un vaciado de emergencia en dicho sistema y en particular su impacto humano y ecológico (inundación, contaminación, etc). Para evitar la posibilidad de derrames incontrolados, es necesario prever canales o tuberias para canalizar el flujo hacia el sistema receptor. Las lagunas impermeabilizadas con una membrana sintética cuentan generalmente con una válvula de fondo para extracción de sedimentos.

6

3. EVALUACION DE LA NECESIDAD DE IMPERMEABILIZACION

El mecanismo II corresponde a suelos sensiblemente homogéneos en los cuales las filtraciones son suficientes para elevar la posición del nivel freático en el área del almacenamiento. En este caso, el flujo tiende a generarse exclusivamente debajo de los bordos perimetrales. El gasto por filtración es entonces proporcional a la longitud de los bordos y depende de los coeficientes de permeabilidad del suelo (tanto horizontal como vertical) y de la diferencia entre el nivel del almacenamiento y el nivel freático inducido en la periferia del estanque (generalmente definido por las condiciones de drenaje superficial). Las dimensiones de la laguna afectan el gasto por metro lineal de bordo puesto que de ellas depende el número de canales de flujo que puede generarse ( fi g 5).

Es necesario realizar un estudio cuidadoso para evaluar si una laguna debe impermeabilizarse. La decisión dependerá de la magnitud de las filtraciones previsibles, del tipo de líquido almacenado y de consideraciones econÓmicas y ecológicas.

3.1 Mecanismos de filtración 3. l. 1 Estudio teórico de las infiltraciones Las pérdidas de agua por infiltración hacia el subsuelo en condiciones de flujo establecido para almacenamientos superficiales están regidas por las ecuaciones de flujo en medios porosos. En cualquier punto del suelo a través del cual ocurre el flujo se cumple la ecuación diferencial de Laplace:

Conviene hacer notar que la existencia de un mecanismo del t1po I o II no depende solamente de las condiciones físicas del subsuelo sino también de las dimensiones de la laguna y de la posición del nivel freático. Para una laguna y un subsuelo dado, si el mecanismo I da un gasto mayor que el mecanismo Il, el segundo es el que prevalece. Esta situación es generalmente la que se da en lagunas grandes salvo condiciones especiales (anexo I.A); al contrario, en lagunas pequeñas, es común la situación inversa.

( 1) donde: k , k , k son los coeficientes de permeabilidad x Y z en las dos direcciones horizontales y la vertical, respectivamente h

es la carga hidráulica.

El mecanismo III se presenta cuando existe una capa continua prácticamente impermeable a determinada profundidad. Las condiciones de flujo del mecanismo II se modifican entonces en la forma indicada en la fig ,6. Cuando existe una situación de este tipo, es comun que se proponga la intercepción de las filtraciones mediante una trinchera de material impermeable (fig 7). Debe hacerse notar que, para que la trinchera sea útil, es necesario que su permeabi 1idad sea muy baja respecto al terreno superficial natural y que abarque todo su espesor. Se sabe que la eficiencia de pantallas parciales es muy baja (ref 15). En el anexo I.E se analizan los resultados obtenidos al usar una pantalla perimetral para reducir las filtraciones de una laguna de prueba.

Dependí en do de las condiciones de frontera prevalecientes, la ecuación diferencial anterior (problema de Dirichlet), corresponderá a diversos mecanismos de filtración. En las figs 4 a 6 se ilustran tres de los mecanismos de filtración más comunes. En los tres casos se ha supuesto que la permeabilidad de los bordos es despreciable respecto a la del terreno natural sobre el que se desplantan. El mecanismo se presenta cuando la posición del nivel freático puede considerarse como una condición de frontera fija del problema. El líquido se infiltra entonces en forma esencial mente vertical descendente del almacenamiento al manto acuífero. Para que prevalezca esta condición, es necesario que las infiltraciones no alteren en forma significativa el nivel freático. Lo anterior ocurre cuando el manto acuífero tiene una posibilidad de descarga muy superior a las aportaciones por filtración del almacenamiento. En este caso, el gasto por filtración es proporcional al área del almacenamiento y al coeficiente de permeabilidad vertical de los estratos superiores del subsuelo y puede calcularse simplemente aplicando la ley de Darcy (fig 4).

Los métodos analíticos, gráficos y numéricos que permiten calcular el gasto de filtración para un mecanismo dado, pueden consultarse en las refs 3, 15 y 16. 3. 1.2 Mecanismos secundarios de filtración Además de presentarse a través de los mecanismos descritos en el inciso anterior, las filtraciones pueden ocurrir debido a diversas condiciones peculia-

7

Bordos supuestos

-

. t+D ( Dorcy ) Gasto de infiltración ( m3/s) Q =kv A 0

kv:Coeficiente de permeabilidad vertical del subsuelo, m/s A: Areo del fondo del olmocenomiento,m 2

t : Tirante, m 0: Profundidad del mvel fréatico (N F) ,m

Fig 4

Mecanismo de infiltración

Gasto de infiltrociÓn(m 3 /s)

a= k

No. 1

Lh~ ne

k : Coeficiente de permeabilidad del subsuelo, m/s L: Perímetro del estonque,m h : Diferencio de niveles en el ogua,m · · 1No. de "ñé :Factor de formo ( No.de lmeas de f luJO n¡

equipotencioles ),cercana o 1 si el subsuelo es homogéneo y la laguna es de grandes dimensiones

Fig

5

Mecanismo de infiltraciÓn No. 2

8

Bordo supuesto impermeable ~

. Í

_ r--'\

>(

/

/

1

nnL >nn

'..../

1

-L ¡

1

/ Aplicable la fÓrmula del

)'--.__

\._.....

_...,.- \

;~ ;;;; L;; t> »

1

\

mecanismo No.2 con n ...!.. );; ;; » / , , n

Estrato impermeable

Fig 7 Pantalla vertical para reducir filtraciones

Fig 6 Mecanismo de infiltración No. 3

y se presenta cuando los bordos se desplantan sobre el terreno natural sin desmontar ni despalmar adecuadamente. Cuando la capa superficial es permeable, es necesario interrumpir el flujo mediante una trinchera rellenada con suelo compactado o una trinchera de lodos (anexo I.E).

res del sitio o a defectos constructivos de los bordos o de su cimentación. Oquedades o grietas en el suelo de desplante La presencia de oquedades y grietas en el suelo de cimentación puede obviamente ser una fuente de filtraciones importantes. Estas oquedades y grietas pueden ser naturales (por ejemplo en suelos calizos cársticos o rocas lávicas porosas) o ser producto de la actividad del hombre. Los problemas que se encontraron para la construcción de lagos recreativos en la zona mi nada del Nuevo Bosque de Chapultepec de la Ciudad de México constituyen un ejemplo de este último caso (cavernas de minas de arena, ref 17).

- Contacto defectuoso entre capas compactadas de los bordos Las deficiencias en la liga entre capa y capa al construir bordos de ti erra compactada pueden dar lugar a discontinuidades horizontales que incrementan considerablemente la permeabilidad del bordo. En los material es compactados abandonados sin protección durante periodos prolongados se presentan grietas por secado que pueden tener consecuencias semejantes a las anteriores si no se remueven al reanudarse la construcción.

- Agrietamiento por secado ¡le materiales arcillosas superficiales En suelos muy plásticos, es común que se presenten arriba del nivel freático numerosas grietas por secado que no se cierran al llenarse las lagunas y dan lugar a filtraciones cuantiosas aun cuando el suelo en sí tenga una baja permeabilidad.

3.2 Estudio geotécnico 3.2. 1 Consideraciones generales Antes de decidir respecto a la conveniencia de impermeabilizar una laguna artificial, es necesario realizar un estudio geotécnico detallado del sitio, con los objetivos siguientes:

- Grietas en los bordos construidos sobre terreno blando por asentamientos diferenciales de los mismos. Los bordos desplantados sobre suelos muy compres ibles heterogéneos o de espesor variable pueden presentar grietas verticales transversales que, si alcanzan el nivel del agua, pueden ser el origen de una falla del bordo por erosión.

- Identificar filtración

Fracturamiento hidráulico del terrenos muy blandos.

- Evaluar si los suelos locales pueden ser empleados para impermeabilizar o, en su caso, definir los problemas de estabilidad que estos suelos plantearán para la aplicación de un método de impermeabilización dado.

entre

subsuelo en caso de

bordos

y

suelo

mecanismos

probables

más

- Verificar si la permeabilidad del a filtraciones aceptables o no

En suelos extremadamente blandos como los de la zona compresible del Valle de México, el llenado rápido de una laguna o la falla del revestimiento impermeable de la misma pueden provocar en el subsuelo profundas grietas por fracturamiento hidráulico, en las cual es la laguna se vacía en un tiempo extremadamente corto. Un ejemplo de falla de este tipo y una interpretación del mecanismo de agrietamiento correspondiente se presentan en el anexo I.D. - Contacto defectuoso desplante

los

de

terreno conduce

La investigación geotécnica debe además proporcionar los elementos para el diseño del bordo (características mecánicas de la cimentación y de los materiales de construcción). 3.2.2 Exploración y pruebas de campo a) Exploración superficial datos locales

de

y

La exploración superficial

Este mecanismo de filtración es extremadamente común 9

recopilación

de

del

la

sitio de

-----~~--

obra permite reunir datos preliminares valiosos respecto a la permeabilidad del subsuelo. Debe prestarse atención a la topografía, a la existencia de pozos y ojos de agua, al tipo de vegetación, a la presencia de grietas y al tipo de suelo existente en la superficie. También debe analizarse la experiencia que se tiene en la zona sobre comportamiento de lagunas. Este análisis debe hacerse, sin embargo, con gran ca ute 1a puesto que los datos proporcionados por los informantes rara vez están respaldados por mediciones fidedignas.

susceptibles de constituir drenes horizonta 1es bajo la laguna y 1os bordos. La prueba más adecuada para este fin es el ensaye Lefranc-Mandel. Los procedimientos a seguir para realizar estas pruebas se presentan en el anexo II. 3.2.3 Ensayes de laboratorio a) Pruebas de identificación Con el fin de aprovechar la experiencia existente, los materiales muestreados deben clasificarse de acuerdo con el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (ref 3). Para ello, es necesario realizar el análisis granu l ométri e o de los material es gruesos y determinar los límites de consistencia de los materiales finos.

b) Sondeos Los sondeos para el estudio geotécnico se realizan con los objetivos siguientes: - Definir la estratigrafía y los mecanismos de f i 1trae i Ón más probab 1es que se pueden presentar. En este aspecto, la detección de estratos permeables que puedan constituir un dren natural debajo de la laguna es de gran importancia

b) Pruebas de permeabilidad Estas pruebas pueden fines siguientes:

-Obtener muestras inalteradas de los diferentes estratos del subsuelo para poder determinar las propiedades mecánicas (permeabilidad, resistencia y compresibilidad) de los materiales en los que quedarán desp 1antados 1os bordos y e 1 a 1macenami ento, y las características de los materiales de préstamo para la construcción.

útiles

para

los

Obtener un límite inferior de la permeabi1i dad del terreno natura l. La permeab i l idad determinada sobre especímenes inalterados es en general menor que 1a del suelo en el lugar normal mente afectado por todo tipo de discontinuidades. - Determinar la permeabilidad de los materiales compactados que se emplearán para la construcción de los bordos y, en su caso, para el revestimiento impermeable.

Para la realización de los sondeos, pueden seguirse las recomendaciones de la ref 18. :) Pruebas de permeabilidad de campo

-Verificar si no existe una interacción de tipo físico-químico entre el fluido que se almacenará y los materiales de construcción que pueda alterar la permeabilidad de estos últimos (véase inciso 5.6).

La permeabilidad de formaciones naturales, generalmente compuestas por mantos de materiales con características muy variables y frecuentemente afectadas por discontinuidades, no puede ser evaluada solamente sobre la base de ensayes de laboratorio (3.2.3) y es necesario recurrir a las pruebas de campo.

Los ensayes pueden realizarse con las técnicas descritas en la ref 19, usando un permeámetro de carga variable. Para aumentar la confiabilidad de esta determinación, se ha dise~ado un nuevo tipo de permeámetro (ref 21) que permite medir con buena precisión coeficientes comprendidos entre 10- 4 y 10- 9 cm/s. Una descripción de este aparato y de los pasos a seguir para realizar la prueba se presenta en el anexo II.

El tipo de prueba de permeabi 1idad Útil en cada caso particular depende de numerosos factores, y en particular de la profundidad a la que se desea realizar la prueba y de la posición del nivel freático. Para lagunas artificiales resultan principalmente dos tipos de prueba:

ser

Útiles e) Pruebas de consolidación Las pruebas de consolidación unidimensional ( ref 19) permiten determinar las curvas de compresibilidad requerí das para ca 1cu 1ar 1os asentamientos que se presentarán por efecto de la carga transmitida por la laguna y, en su caso, de la saturación del suelo de cimentación.

- Pruebas superficiales o a poca profundidad para evaluar si el material superficial constituye un revestimiento de fondo natura 1 adecuado para limitar las filtrae iones a un va 1or aceptab 1e. Las pruebas más sencillas para este fin son las de pozo de absorción, también conocidas como prueba Nasberg (ref 19) o, con una interpretación ligeramente diferente, como prueba USBR E-19 (ref 20).

d) Pruebas de resistencia al corte Las pruebas de compresión simple y triaxiales tipo UU (no consolidada-no drenada) o CU (consolidada-no drenada) (ref 19) permiten obtener los parámetros de resistencia al

- Pruebas profundas, principalmente para materiales permeables, generalmente localizados abajo del nivel freático, y 10

-----

corte requeridos para los análisis de estabilidad de los bordos y de su cimentación.

Para referir a la fecha presente gastos anuales sistemáticos sensiblemente constantes en valor real (por ejemplo mantenimiento), puede usarse la relación siguiente:

e) Prueba de erodibilidad

P = [A/(l+i)]•[l+(l+r)/(l+i)+(l+r) 2 /(l+i) 2 +

Para verificar si los materiales de la cimentación y de construcción de los bordos y, en su caso, el revestimiento impermeable son susceptibles a la erosión y en particular verificar si se trata de arcillas dispersivas, es recomendable recurrir a la prueba conocida como "pinhole test" (ref 7).

+ ... + (l+r)n-1/(l+i)n-1]

(3)

donde A es la erogación durante el primer año. La expresión anterior puede simplificarse como sigue: P = [A/ (1 +i )] ·[ ( 1-Xn)/ (1-X )]

3.3 Análisis económico de la conveniencia de impermeabilizar

(4)

donde X = (l+r)/(l+i). Salvo quizá en el caso de almacenamientos de productos altamente contaminantes en el que el costo es un factor secundario, la impermeabilización de una laguna debe justificarse mediante un análisis económico. El costo de la impermeabilización debe compararse con los ahorros que ésta permitirá realizar a lo largo de la vida útil de la obra. Para que la comparación sea válida debe efectuarse con costos calcula dos en una misma fecha. Lo usual es referir los costos a la fecha del análisis, es decir, comparar costos y ahorros en valor "presente". Deben tomarse en cuenta la inflaciÓn y la tasa de interés vigente (ref 22). Una erogación puntual V a real izar dentro de n años tiene un valor presente de:

P = [V/(l+i)]•[(l+r)/(l+i)]n donde:

En las situaciones más comunes, se comparará la inversión realizada en la impermeabilización . más los costos de mantenimiento de la misma, con el valor comercial del agua o del fluido que se dejará de i nfi 1trar más e 1 ahorro en e 1 costo de bombeo de 1a misma. Los costos de mantenimiento de los distintos tipos de revestimientos son dif1ciles de estimar. El mantenimiento debe incluir la reparación de agujeros, grietas y daños, as1 como los costos de control de maleza, entre otros. En época de gran inestabilidad económica, resulta difícil estimar las tasas de inflación y de interés para los años siguientes, pero el análisis económico debe efectuarse de todos modos procurando cubrir el intervalo de posibilidades mediante hipótesis extremas ( "optimista" y "pesimista") cuidados amente se l ecci onadas.

(2)

V es la erogación P es el costo en valor presente

Cuando la impermeabilización requiere la importación de algún producto es usual que se penalice el costo correspondiente en una proporción que, en algunos casos, se ha considerado hasta de 30%.

r es la tasa de interés es la tasa de inflación.

11

---------------------

4. TECNICAS DE IMPERMEABILIZACION

tirante, como lo prevé la ley de Darcy. En el caso de re ves ti mi en tos si ntét i e os, el flujo se presenta casi exclusivamente por defectos de fabricación o instalación y no es aceptable recurrir a la ley de Darcy para estimar las filtraciones a priori.

4.1 Consideraciones generales Los productos y revestimientos para la impermeabilización de lagunas artificiales se pueden clasificar en tres grandes grupos (refs 23 a 25):

4.2 Mecanismos qu1micos

a) Selladores naturales y tratamientos químicos

de

sellado

natural

y

tratamientos

b) Revestimientos rígidos Se ha observado que el sella do natural de una laguna puede ocurrir por alguno de los mecanismos siguientes: a) taponamiento físico de los vacíos del suelo por sólidos sedimentados; b) taponamiento químico de los vacíos del suelo por intercambio iÓnico; y e) taponamiento biológico y orgánico por crecimiento microbiano en el fondo del estanque.

e) Revestimientos flexibles. Dentro de cada categoría existe a su vez una gran cantidad de variantes (tabla 1). Es común que las lagunas requieran un revestimiento para controlar las pérdidas por filtración que, además de resultar costosas, pueden contaminar el área circundante o hacer fallar la instalación y poner en peligro propiedades cercanas o vidas humanas. Ciertos ti pos de re ves ti mi ente reducen además la erosión de los bordos debida a la acción del oleaje (2.2.7) o de lluvia, y sirven de protección contra la socavación de zapatas y cimentaciones de los elementos estructurales que se encuentran dentro del almacenamiento.

Varios productos químicos que se mezclan con el suelo han sido usados con grados de éxito muy variables para sellar lagunas. Los cat i enes mono val entes ( i enes de sodio, potasio y amonio) disminuyen químicamente la porosidad del suelo al reemplazar los cationes polivalentes cálcicos. Se ha encontrado que la impermeabilización qu1m1ca puede ser efectiva en suelos con un mínimo de 8% de arcilla y de 10% de limo. Las sales que se usan con más frecuencia para el sellado químico son los polifosfatos de sodio (pirofosfato tetrasódico o tripol ifosfato sódico), el carbonato de sodio y el cloruro de sodio (ref 26). Debido a la compleja y variable composición química de los suelos, los tratamientos de esta naturaleza sol amente deben aplicarse después· de un estudio de laboratorio que demuestre su efectividad. Se trata en realidad de una técnica incipiente.

Para analizar las posibilidades de éxito de un sistema de impermeabilización, es necesario considerar que el revestimiento y el medio en el que se instala trabajan en conjunto; el mismo criterio debe seguirse para el caso del estudio de fallas, ya que en la mayoría de los casos la falla del revestimiento es el resultado de una acción y no su causa. El punto más importante es que el revestimiento se coloque sobre una base estable aun en estado saturado. Cualquiera que sea el tipo de revestimiento considerado, la participación de un especialista en mecánica de suelos es por tanto indispensable.

Una segunda categoría de productos químicos está constituida por los aditivos que se agreg-an al agua para reduéir las filtraciones. Algunos de estos productos, a base de polímeros, aumentan la atracción iónica de las partículas del suelo hacia el agua, con lo que se incrementa el diámetro efectivo de las mismas y se reducen las dimensiones de los poros. Otros son emulsiones de cera que forman una membrana delgada en el fondo. Estos productos permiten reducir pero no eliminar las filtraciones. Sus principales atractivos son su bajo costo y la posibilidad que ofrecen de corregir en cierta medida los problemas de filtración sin tener que vaciar la laguna.

La presencia de un revestimiento con baja permeabilidad en el fondo de una laguna conduce a un mecanismo de filtración como el indicado en la fig 8. Es usual considerar que el flujo a través del revestimiento está regido por la ley de Darcy. El gradiente de carga hidráulica actuante en el revestimiento se considera igual aproximadamente al tirante dividido entre el espesor del mismo. Debe subrayarse que esta consideración es discutible puesto que abajo del revestimiento puede presentarse una zona de flujo no saturado en la que el fenómeno se vuelve más complejo debido en particular a la exis'b€ncia de fuerzas de succión. La experiencia muestra ~~n embargoque, por lo menos para re ves ti mi entos de suelos compactados, el flujo es de hecho aproximadamente proporcional al

Las arcillas altamente expansivas, tales como la bentonita, pueden reducir efectivamente la permeabilidad del suelo natural al humedecerse. La bentonita es una arcilla montmorilonítica sódica que exhibe un alto grado de expansividad, permeabilidad y baja

13

---

-----------~--

--~

TABLA 1 PRODUCTOS Y TECNICAS DE IMPERMEABILIZACION (ref 23)

SELLADORES

REVESTIMIENTOS RIGIDOS

REVESTIMIENTOS FLEXIBLES

Arcillas bentoníticas Tratamientos químicos del suelo Aditivos al agua

Concreto hidráulico Suelo-cemento Concreto asfáltico Concreto lanzado

Membranas sintéticas (plásticos y elastómeros) Membranas asfálticas Paneles asfálticos Suelos compactados

CONTINUOS

DISCONTINUOS

Membranas sintéticas Membranas asfálticas Paneles asfálticos

Suelos compactados Concreto lanzado Concreto hidráulico Concreto asfáltico Suelo-cemento Arcillas bentoníticas Tratamientos químicos del suelo Aditivos al agua

IMPERMEABLES

SEMI PERMEABLES

Membranas sintéticas Paneles asfálticos

Suelos compactados Concreto lanzado Concreto hidráulico Concreto asfáltico Membranas asfálticas Suelo-cemento Arcillas bentoníticas Tratamientos químicos del suelo Aditivos al agua

1.0 6. Color: negro (para resistir rayos ultravioletas) 7. Espesor mínimo: 20 mils (0.4 mm) 8. Composición uniforme y ausencia de defectos físicos 9. Resistencia a variaciones de temperatura y a condiciones ambientales

10. Fácil reparación 11. Economía 24

TABLA 4 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES DE USO MAS COMUN PARA REVESTIMIENTO (ref 49)

Propiedad Densidad Resistencia a la tensión, psi (kg/cm 2 ) Elongación, % Dureza Shore "A" Intervalo de temperatura de trabajo, oF (oc) N

"'

Resistencia a los ácidos Resistencia a las bases Resistencia a solventes oxigenados Resistencia a solventes aromáticos y halogenados Resistencia a solventes alifáticos (del petróleo) Permeabilidad al vapor de agua, por mils Intemperización

Polietileno Baja Alta densidad densidad

Cloruro de polivinilo

Polietileno clarinada

1

Polipropileno

Nylon

0.92-0.94

0.94-0.96

1.2-1.5

l. 35-1.39

0.9-0.91

1300-2500 (90-175) 200-800

2400-4800 (170-340) 10-650

3500-10000 (245-700) 60-200

1800 mín. (125 mín.) 375-575

4000-32000 9000-11000 (280-2250) (630-775) 40-400 250-550

l. 08-1.4

R = regular

Hule natura 1

0.92-1.25

0.91-1.25

1000-4000 (70-280)

1000-3500 (70-245)

1000-2000 (70-140)

15-90

20-100

55-95

'

1

1

1

-70 a 180 -70 a 240 (-55 a 80) (-55 a 115) P-B B B-E B-E

-60 a 200 (-50 a 90) B-E B-E

-40 a 200 (-40 a 50) B-E B-E

-60 a 220 -60 a 380 (-50 a 105) (-50 a 170) p B-E E B-E

-50 a 325 (-45 a 160)

-70 a 250 -45 a 250 (-55 a 120) (-45 a 120) B B-E

P-8

P-B

B

p

R

R

B

p

8

B

p

p

R

P-R

R-8

B

B

8

E

p

p

B

3-14

1.8-2.2

p

p

3-18 8

0.04-0.048 E

R

2.0 E

B

0.25-1 p

B = bueno

0.15 8

0.09-1.0 R --

P = pobre

Hypal on

Hule butilo

--

---

-

E = excelente

Métodos ASTM empleados para determinar las distintas propiedades: densidad, 0751; resistencia a la tensión, D97-61T; elongación, D412- 61T o D882; dureza Shore "A", D676-59T; permeabilidad al vapor de agua, E96-66

1

Estas emanaciones no pueden escapar debido a la impermeabilidad del revestimiento. Cuando existen estas condiciones, deben tomarse precauciones especiales en el diseño para permitir el escape del gas hacia los lados, dejando el fondo con inclinación y colocando una capa de suelo o un fieltro permeable al gas directamente bajo el revestimiento. Es usual instalar además respiraderos en los taludes arriba del nivel del fluido almacenado. Puede ser también úti 1 1astrar e 1 revestimiento recubriéndolo con una capa de suelo.

cualquier otro equipo de transporte, en forma tal que la dimensión larga de la caja se coloque transversalmente, y en esta forma se lleva al lugar de instalación. Después de cortar los flejes, la tapa y los lados de la caja se pueden quitar verticalmente, quedando el revestimiento doblado como acordeón sobre una tarima, desde la cual se puede abrir a lo largo sosteniendo el extremo y moviendo el vehículo hacia adelante mientras se desdobla la membrana. La primera sección se coloca generalmente sobre el talud del bordo o de 1a berma perimetra 1 para que uno de sus extremos se pueda enterrar en 1a zona de anc 1aje, antes de que el resto se desdoble hacia abajo del talud. Se coloca a continuación la segunda sección junto a la primera y se desdobla en forma tal que las dos se puedan unir como se describe más abajo hasta cubrir el área total necesaria. Para unir los tramos entre sí es recomendable emplear una plataforma de trabajo que puede ser un tablón de 2.5 cm de espesor, 25 cm de ancho y 610 cm de largo, colocado directamente en el terreno sobre suelo seco, o sobre soportes en terreno húmedo. Los dos bordes del revestimiento

6.6.3 Colocación de la membrana Las membranas sintéticas impermeables se embarcan generalmente dobladas como acordeón en ambos sentidos para poder extenderse fácilmente en la di~ección longitudinal y después a lo ancho. Uno de los métodos que se pueden usar para instalar el revestimiento es el siguiente: un sector empacado previsto para una cierta área en la instalación se coloca en la plataforma de un camión, en un cargador frontal o en

TABLA 5 GUIA PARA LA SELECCION DE REVESTIMIENTOS (ref 24) Tipo de revestimiento Concreto Hule NeoTableros asfálticos asfáltico butilo preno

Cone reto

Acero

CPE

3110

OK

OK

PC

OK

OK

e

e

NR

OK

OK

OK

SE

NR

NR

OK

OK

OK

OK

OK

OK

OK

OK

OK

OK

OK

OK

OK

OK

OK

OK

e

NR

NR

OK

OK

OK

OK

OK

OK

OK

OK

e

OK

OK

OK

OK

OK

OK

OK

OK

OK

OK

NR

NR

OK

OK

NR OK

NR OK

NR OK

NR OK

e

NR OK

NR

OK

NR OK

e

NR NR

NR OK

NR OK

e

NR

NR

NR

NR

NR

NR

OK

OK

NR

NR

Substancia

PE

Hypa 1on

PVC

Agua Aceites animales Aceites de petróleo (no aromáticos) Aguas negras domésticas Soluciones salinas Soluciones base Acidos 1i geros Acidos oxidantes Salmuera Aceites de petróleo (aromáticos)

OK

OK

OK

OK

OK

OK

QKC

OK

SR

OK

OK

QKC

e

NR

NR

OK

OK

OK

OK

OK

OK

(a)

OK

e

NR SR SE PC

generalmente satisfactorio cuestionable no se recomienda se rigidiza se expande se sugiere protección catódica

(b)

Se recomienda ·efectuar pruebas de inmersión en cualquier revestimiento que se vaya a usar en un medio ambiente donde exista duda sobre su longevidad. Consulte al fabricante del revestimiento o a un laboratorio de prueba con experiencia cuando haya duda

(e)

Debe ser de una sola pieza 26

TABLA 6

COMPARACION ENTRE EL PVC Y EL PE (ref 23)

VENTAJAS PVC

PE

Mayor resistencia Mayor resistencia a la abrasión Buen sistema de empalme Se surte en piezas más grandes Mayor flexibilidad No hay límite en el espesor Buena resistencia al arrugamiento

Menor costo inicial Menor peso de embarque

DESVENTAJAS PVC

PE

Rápido envejecimiento al sol Costo más alto Mayor peso de embarque

Mayor susceptibilidad al envejecimiento al sol Baja confiabilidad de las juntas Piezas de tamaño reducido Es necesario enterrarlo para evitar que flote Muy rígido a menos que el espesor sea menor de 8 mils Baja resistencia al arrugamiento

TABLA 7

RESUMEN DE PRACTICAS EFECTIVAS DE DISE~O PARA LA COLOCACION DE REVESTIMIENTOS EN LAGUNAS ARTIFICIALES DE ALMACENAMIENTO (ref 24)

l. El revestimiento debe colocarse sobre una estructura estable 2. El diseño y la inspección de las instalaciones deben recaer en profesionistas con experiencia en aplicaciones de revestimientos y que dominen la ingeniería geotécnica 3. Es recomendable el uso de un sistema de subdrenes que opere a la presión atmosférica 4. Las especificaciones deben

prever una tolerancia para filtraciones

5. Los revestimientos impermeables deben colocarse sobre una superficie tersa de concreto, suelo, concreto lanzado o concreto asfáltico 6. Salvo para paneles asfálticos, todas las juntas de campo deben hacerse perpendicularmente al pie del talud 7. Las obras de toma y de descarga deben sellarse adecuadamente 8. Las membranas deben anclarse en la corona del

talud

9. Se deben sellar todas las picaduras del revestimiento y las grietas del terreno de apoyo 10. Los problemas de viento y de gases en membranas delgadas se pueden controlar si se instalan respiraderos como parte integral del revestimiento 11. Es conveniente recubrir los revestimientos o cercar los almacenamientos para evitar vandalismo 27

que se van a unir se traslapan entre 5 y 10 cm a lo

largo del centro de línea del tablón

y

se alinean con

la ayuda de dos trabajadores, quienes también dejan libre el área de polvo, tierra o humedad mediante un trapo o un cepillo. Si se usa el sistema de unión con solvente adhesivo, se procede como sigue. La membrana debe estar totalmente seca. Entre dos trabajadores se tensa ligeramente el área mi entras que un tercero inyecta el solvente adhesivo entre las dos membranas preparadas (con cantidades de aproximadamente 35 g para cada 10 m) usando unos envases flexibles. No es necesario ni deseable arremangar el borde superior de la membrana. Inmediatamente después de aplicar el sol vente adhesivo, con un trapo se aplica una presión con la mano o con un rodillo de acero transversalmente a la junta. Si alguno de los bordes no selló, se debe repetir la aplicación del adhesivo hasta unir completamente ambos bordes. Se desplaza entonces hacia adelante el tablón para sellar la siguiente zona (a veces se amarra una cuerda al extremo frontal del tablón para poder jalarlo hacia adelante). Después de completar la unión, el solvente adhesivo habrá sellado la unión suficientemente para que se pueda desdoblar un nuevo tramo en todo su ancho y colocar y sellar otra sección. Generalmente, la resistencia al corte se desarrolla en 5 a 15 minutos, pero la resistencia final al desprendimiento solamente se alcanza en varios días hasta que el solvente se evapora. Las uniones deben inspeccionarse cuidadosamente después de transcurrida la primera media hora o más tarde, con el fin de detectar y resellar cualquier hueco que aparezca en la junta y en particular las clásicas "bocas de pescado" que se producen por tensiones diferenciales entre los bordes opuestos de las juntas.

Revestimiento primario

Fig 12 Subdrenaje a base de doble impermeabilización { ref 50) Un tipo más simple de subdrenaje consiste en colocar el revestimiento sobre una capa de concreto asfáltico poroso que canaliza el fluido interceptado hacia el sistema de drenaje. Otra alternativa consiste en usar material granular recubierto con suelo fino compactado o con un geotextil en vez de concreto asfáltico. En ambos casos, la subrasante debe estar constituida por una capa de suelo compactado semi permeable eventua 1mente recubierta con un riego asfál ico. Estos sistemas no recolectan la totalidad de las filtraciones pero permiten detectarlas si son importantes y evitan el desarrollo de subpresiones bajo el revestimiento en caso de vaciado de la laguna. Es importante que todos estos sistemas trabajen a la presión atmosférica.

Las operaciones de colocación de las membranas no deben realizarse cuando sopla viento debido al peligro de movimientos y desgarres de las membranas. Si el viento se presenta durante la instalación, es indispensable lastrar el revestimiento de inmediato. Para ello, es recomendable preparar un número suficiente de sacos de arena.

Oebe reconocerse que muchas instalaciones superficiales o poco críticas se construyen con un sistema de subdrenaje muy simplificado o sin subdrenaje. 6.8 Protección

6.7 Subdrenaje

Las membranas delgadas sensibles a la radiación solar o expuestas a daRos mecánicos o vandalismo deben recubrirse con una capa de suelo. En los taludes debe colocarse una capa de suelo permeable, protegido contra la eros1Ón con grava. Para poder mantener en su lugar sobre los taludes el suelo y la capa de grava, es necesario que la pendiente no sea mayor de 3: l. En tal udes más pronunciados puede usarse concreto para fines de protección. La protección de las membrahas más gruesas y resistentes que no vayan a estar sujetas a daRos mecánicos puede ser a base de agua únicamente. Un tirante suficiente de agua puede evitar los efectos daRinos del calor sobre el revestimiento y proporcionarle cierta protección. Algunas instalaciones en las que se anticipaba mantener un tirante constante, se han diseñado con una berma bajo el nivel del agua. En este caso, se puede prever una protección de suelo por encima de la berma pero ningún otro tipo de protección, excepto agua, por debajo de la elevación de la berma.

El fluido que puede llegar a acumularse detrás de una membrana impermeable por alguna discontinuidad de la misma o por infiltración del agua de lluvia o de otras fuentes, puede ocasionar múltiples problemas. Así, un incremento del contenido de agua puede provocar asentamientos diferencial es en los suelos heterogéneos, derrumbes en los suelos cársticos, disolución en los suelos con contenido importante de yeso, deslizamientos en laderas, etc. Por otra parte, la membrana misma puede sufrir daRos por el efecto de la subpresión en caso de vaciado del almacenamiento. Para conjurar estos peligros se ha llegado a recurrir a una doble impermeabilización (fig 12, ref 50). La función de la membrana inferior es simplemente de canalizar las filtraciones de la primera hacía un sistema de subdrenaje constituido por tubos perforados colocados en trincheras rellenadas con material graduado seleccionado, que permita detectarlas y tomar medidas correctivas. Se logra en esta forma una mayor seguridad, pero esta solución es obviamente muy O(lerosa y solamente se justifica si el fluido almacenado es altamente contaminante o si se ha detectado un problema geotécnico potencial de importancia como los mencionados arriba.

Para colocar la protección de suelo sobre los lados y el fondo de la instalación, se pueden usar cucharones de almeja, cargadores frontales, topadoras, motoconformadoras, etc. Aunque algunos revest i mi en tos son resistentes, el equipo no debe desplazarse 28

zanja varía entre 30 y 40 cm que es suficiente para soportar cualquiera de los sistemas de revestimiento (fig 16). Después de colocar la membrana, se rellena la zanja con el suelo excavado compactándolo ligeramente.

directamente sobre ellos. Es importante que los operadores señalen de inmediato cualquier daño ocasionado a la membrana durante la colocación del material de protección. 6.9 Detalles constructivos

En las estructuras de toma y de descarga y en otros puntos donde se tenga que atravesar el revestimiento, los sellos se consiguen de dos formas. El primer método consiste en hacer el sella do en el plano del revestimiento (figs 17 y 18). La segunda técnica recurre a una funda para tubo (fig 19). A esta funda se fija una brida fabricada por uno de los métodos de junteo en planta. En el campo esta brida se adhiere al material base del revestimiento en el punto donde el tubo sobresale del mismo. Los tubos de toma y/o descarga se introducen generalmente en el almacenamiento a través de una pequeña estructura de concreto (fig 20). El sello entre el revestimiento y la estructura se efectúa en la parte superior del muro de la estructura, en el plano del revestimiento. La estructura en sí no se reviste.

El anclaje de la membrana en la parte superior del talud puede ser formal o rústico (ref 23). a) Un sistema formal de anclaje consta de pernos de fijación de 12 mm separados de 15 a 30 cm e. a e. y de una barra de anclaje de 6.3 x 51 mm en sección transversa l. Generalmente, la barra es de una aleación de aluminio, aunque también se usa acero galvanizado y acero inoxidable. Estos productos no presentan problemas de corrosión galvánica en este tipo de aplicaciones. Los pernos se colocan en el concreto del deflector de olas (figs 13 y 14) o, si no existe, se cuela en una trinchera una viga de concreto (fig 15) de por lo menos 15 cm de ancho, con una sola varilla de refuezo contra agrietamiento. En el quiebre de la corona con el talud, es recomendable colocar una tira de protección de 30 cm de ancho aproximadamente, entre el revestimiento y el concreto, como protección contra rasgaduras por los bordes afilados o por la rugosidad propia de la viga.

6.10 Mecanismos de falla Las lagunas impermeabilizadas son obras vulnerables y sujetas a numerosos mecanismos de falla parcial o total. En la tabla 8 se presenta una clasificación resumida de dichos mecanismos. Esta tabla muestra que son muchos los aspectos que hay que cuidar para lograr una instalación exitosa.

b) El anclaje rústico se hace excavando una zan1a adyacente a la corona del talud, de se ce 10n transversal en forma de V. La profundidad de la

29

Sistema mecánico de anclaje: Barras de aluminio de 1/4"x2"(0.6x5.1 cm) o de acero galvanizado de 3ft6"x2" (0.48x5.1 cm) con tornillos opresores de anclaje @ 30 cm c. a c. máximo. Usar pernos atornillados sólo en revestimientos de paneles asfálticos (se necesitan rondanas de 2" - )

1%

Estructura de concreto

Sistema de adherencia entre revestimiento y concreto: 20 cm mín. para paneles asfálticos¡ 7.5 cm mín. para PV C y hypalon; 15 cm mín. para otros revestimientos

Suelo estable compactado o superficie existente de concreto, concreto lanzado o concreto asfáltico

NOTAS; 1.- La superficie del concreto debe ser tersa y 1i bre de todo compuesto de curado 2.- Usar una junta de ~/32"x 2" (0.08x 5.1 cm) como mínimo (el material deberá ser compatible con el revestimiento) entre la barra y el revestimiento; no se necesitan juntas entre paneles asfálticos ni en otros tipos de revestimientos de más de O. 040" ( 1 mm) de espesor

Fi g

13

Detalle de 1 anclaje superior : a 1terna t iva para todo tipo de revestimientos ( ref 23)

11

en concreto concreto viejo del

Estructura de concreto

tible

muro

de anclaje igual ol de arriba. de la barra debe ser compacon el lÍquido almacenado

Bota de cubierta de elastómero de

Revestimiento

del

15 cm mÍn. de ancho x 1/32" {0.8 m m : ¿ de espesor¡ parte sobre el muro y parte sobre el talud, con un adhesivo poro concreto compoti ble Suelo estable compactado o superficie existente de concreto, concreto lanzado o concreto asfáltico

NOTAS:

t.- Todos las superficies y 1i bres

de todo

de compuesto

concreto en los de curado

sellos

deben estar tersas

2.- Usar un adhesivo compatible entre el revestimiento del talud y la bota elastomérica, así como un ancho mínimo de 7. 5 cm de adhesivo compatible entre el revestimiento del talud y el concreto

Fig

14

Detalle del anclaje superior: alternotiva para todo tipo de revestimientos ( r ef 23)

31

2

talud

Corona

del

-

[ tal d u ~ • •

1 ""'

~ o¡0 inc\inaclon

Viga de anclaje de de aprox. 30 cm de dependiendo de las ciones climáticas y subsuelo

_

"J

Sistema mecánico de anclaje: Barras de aluminio de 1/4" x2" (0.6x5.1 cm), o de acero galvanizado o inoxidable de 3f¡s"x 2" (0.48x5.1 cm), con tornillos opresores de anclaje @ 30 cm c. a c. Usar pernos atornillados sólo para revestimientos asfálticos (se necesitan rondanas de acero de 2" r6 )

concreto peralte condidel

Revestimiento

estable compactado o superficie existente de concreto, concreto lanzado o concreto asfáltico

NOTA: La superficie de concreto debe ser tersa y 1i bre de todo compuesto de curado. Usar una junta de 1¡32" (0.8 mm) de un material compatible con el revestimiento, entre la barra y el revestimiento; no se necesitan Juntas en paneles asfálticos ni en otros tipos de revestimientos de más de O. 040" ( 1 mm) de espesor.

Fig 15

alternativa 3 Detalle del anclaje superior para todo tipo de revestimiento ( ref 23)

Zanja excavada con máquina. Colocar revestimiento, rellenar y compactar

el

j¡"30 cm

1%

inclinación

\---L11~r-Corona

del

talud

1

~Revestimiento

minimo

~de

/

15 cm

.

' '" L,, "''"'

oompootodo o ' " ' " " ' ' ' existente de concreto, concreto lanzado o concreto asfáltico

Fig 16

Detalle del anclaje superior alternativa 4 para todo tipo de revestimientos flexibles ( ref 23)

32

;,-.~..

....

r

· ··

o

"O

"E o

o

4 Q( - 2~ ~o-~ ot----------t-~-.~----~~~~-+~-r4r~~--~~-+~-.+k~~~~

Limo arcilloso

Prof.,m 10·

21?0

41)()

5

.-~

fr~ :=-<

,~-::r--...,

"

2p

-10

~

.¿

1

1

_j

1 conlll~~~~i~'AHit~t-~~ /tilrt''~*++~ ~ ~ ~

vetos de oreno Arcillo café Arcillo gris verdoso

o t5

_ - ' - r

l;l'

~ .

p.

•

.. •

••• p

'

•

..

.

b

..

~

•

'

·...

,1)

h

altura del agua dentro del pozo, en m (h > 10r)

r

radio efectivo del pozo, m

Q

gasto necesario para mantener la condición de flujo establecido (determinado experimentalmente), en m3 /min

11T

viscosidad del agua a T°C

11 20

viscosidad del agua a 20°C

p

. , . ".

b.

• D.

.. •

1> •

f)

"·

•

.. .

...

••

'

~

·

•

• • b

.

•

k= 0.423 Q lo ~ h2 9¡o d

t,

"

•

•

•

111.

. . . . . Do •••

si 25

0=2

< : < lOO

/Q "'m

.':p: , . , 'v .. • •

... _.

P

1?.

¡t

•

:O'f) ·_;: •.·

1-

D

(II.A.5).

k20 coeficiente de permeabilidad, en m/s

..

•

.

•

(~/11 20 )

•••

:

••

V

X

donde:

"

. .-. . . , . .. .. "

• •

k20 = 0.0167 (1/h 2 ) [sen h-l(h/r) - 1] [Q/(2n)] x

,· . .. .. . ~ ....·. p

.

••

-1

Fig ll.A.2 Prueba de permeabilidad Nasberg 69

Tambor métolico de ¡200 1 colibrodo,lleno ,de aguo limpiO\ sin ' sedimentos ni materia¡: Tubo graduado de en suspensión) _ plástico transparente resisten te al impocto,p.ej.1.2 cm q, ex t.

Contrapeso de latón VÓlvulo de flotador tipo Roberts cuyo diámetro dependerá del diámetro del pozo y del máximo coeficiente de permeabilidad (generalmente es de 1.9cm) ~!J===~=:::¡ití:)_

Ademe de acero galvanizado Ejemplo: Pruebo No. 18 2m de prof. T= 2 2 oc

r----