PRESAS DE TIERRA
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Los embalses de agua se proyectan y construyen con fines de almacenar grandes volúmenes de este valioso recurso hídrico en épocas estacionales de lluvias, en las que el consumo de agua es inferior a la disponibilidad, para posteriormente emplear estos volúmenes almacenados en épocas de estiaje. En el Perú los embalses de agua se construyen y emplean esencialmente para los siguientes casos: - Riego de terrenos con fines agrícolas - Afianzamiento hídrico de centrales hidroeléctricas - Uso en agua potable - USO Mixto Para poder lograr estos embalses artificiales se construyen presas de tierra o concreto, normalmente en el curso de un río o quebrada o sobre elevando los bordes de una laguna. Dado el enorme valor que tiene el recurso hídrico almacenado, el manejo de las aguas debe poder ser adecuadamente controlado, por tal razón en el proyecto de un embalse de agua deben incluirse estructuras que permitan lo siguiente: 1. Efectuar una descarga de agua de servicio 2. Descargar los sólidos sedimentados que se acumulen en el fondo del embalse. Descargar los volúmenes de agua que excedan la capacidad de almacenamiento Las dos primeras funciones indicadas se logran mediante conductos de descarga independientes o uno solo que cumpla ambas funciones y qu e requieran una operación controlada. La tercera función se logra mediante estructuras de alivio (aliviaderos) por rebose con su correspondiente conducto de descarga, que no requieren control. El control de las estructuras de descarga sólo se puede lograr mediante equipos hidromecánicos, los que a su vez requieren para su funcionamiento de algunos servicios auxiliares. Aunque del monto total para la construcción de una presa, la parte correspondiente al equipamiento hidromecánico rara vez supera el 10%, la importancia de este equipamiento para lograr un control y manejo adecuado de las aguas embalsadas es crucial. OBRAS HIDRAULICAS
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Una presa es una estructura que se emplaza en una corriente de agua para embalsarla y/o desviarla para su posterior aprovechamiento o para proteger una zona de sus efectos dañinos. Las presas permiten controlar y disponer de agua con los siguientes fines: Consumo humano Consumo industrial Riego Control de crecidas Navegación Protección de márgenes Generación Eléctrica Turismo, Esparcimiento y Recreación Piscicultura Contención de aluviones
Existen varias clasificaciones de las presas: atendiendo a su altura, a sus funciones o a otras características, sin embargo la clasi ficación más común es de acuerdo a sus materiales de construcción y su concepción estructural. 1.- Clasificación según tipo de material 1. 1 Tipo a: Materiales sueltos (tierra y roca) - Tierra: Relleno hidráulico; sección homogénea compacta - Materiales graduados - Enrocamiento 1. 2 Tipo b: Materiales cementados (concreto y mampostería) - Gravedad: Masiva; aligerada - Contrafuertes: Machones; losas planas; arcos o bóvedas múltiples - Arco y bóveda Selección del tipo de presa Las presas se pueden clasificar en un número de categorías diferentes, que depende del objeto de la clasificación. En este Proyecto Terminal
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consideraremos tres consideraciones de acuerdo con el uso , el proyecto hidráulico, o los materiales que conforman la estructura. 2.-Clasificación según el uso Las presas las podemos clasificar de acuerdo con la función más general que van a desempeñar, como de almacenamiento, de der ivación, o regulación. Podemos precisar más las clasificaciones cuando consideramos sus funciones específicas. 2.1-Presas de almacenamiento - Se construyen para embalsar el agua en los períodos en que sobra, para utilizarla cuando escasea. Estos períodos pueden ser estacionales, anuales o más largos. Muchas presas pequeñas almacenan los escurrimientos de la primavera para usarse en la estación seca del verano. Las presas de almacenamiento se pueden a su vez clasificar de acuerdo con el objeto del almacenamiento, como para abastecimiento de agua, para recreo, para la cría de peces y animales salvajes, para la generación de energía hidroeléctrica, irrigación, etc. El objet o específico u objetos en los que se va utilizar el almacenamiento tienen a menudo influencia en 01 proyecto de la estructura, y pueden determinar proyectos como el de la magnitud de las fluctuaciones del nivel que pueden esperarse en el vaso y el de volumen de filtraciones que pueden permitirse. 2.2-Las presas de derivación - Se construyen ordinariamente para proporcionar la carga necesaria para desviar el agua hacia las zanjas, canales u otros sistemas de conducción al lugar en que se van a usar. Se utilizan en los sistemas de riego, para la derivación de una corriente natural hacia el vaso de almacenamiento fuera del cauce natural de la corriente, para usos municipales e industriales, o para una combinación de los mismos. 2.3-Las presas reguladoras - Se construyen para retardar el escurrimiento de las avenidas y disminuir el efecto de las ocasionales. Las presas reguladoras se div iden en dos tipos. En uno de ellos, el agua se almacena temporalmente, y se deja salir por una obra de toma con un gasto que no exceda de la capacidad del cauce de aguas abajo. En el otro tipo, el agua se almacena ta nto tiempo como sea posible y se deja infiltrar en las laderas del valle o por los estratos de grava de la cimentación. A este último se le llama algunas veces de distribución o dique, porque su principal objeto es recargar los acuíferos. Las presas reguladoras también se construyen para detener los sedimentos. A menudo estás se les llama presas de arrastres. - Aunque no es muy frecuente que se utilicen para varios usos como las presas grandes, con frecuencia sirven para más de un fin. Cuando son para varios usos, se reserva un volumen separado del vaso para cada
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uno de ellos. Existe una combinación de usos relativamente frecuente en la que entran el almacenamie nto, el control de avenidas y para deportes. 3.-Clasificación según su proyecto hidráulico Las presas se pueden clasificar en presas vertedoras o no vertedoras. 3.1-Las presas vertedoras - Se proyectan para descargar sobre sus coron as y en general se deben construir de materiales que no erosionen con las - descargas. Es necesario emplear concreto, mampostería, aceros y madera, excepto las estructuras muy bajas de unos cuantos pies de altura. 3.2-Presas no vertedoras - Son las que se proyectan para que el agua no rebase por la corona. Este tipo de proyecto permite ampliar la elección de los materiales incluyendo las presas de tierra y las de enrocamiento. - Con frecuencia se combinan los dos tipos para formar una estructura compuesta, que consiste de por ejemplo, una parte vertedora de concreto de gravedad con extremos formados por terraplenes. 4.-Clasificación según los materiales La clasificación más común se usa en la discusión de los procedimientos de construcción se basa en los materiales que forman la estructura. En esta clasificación también se menciona el tipo básico del proyecto como, por ejemplo, presa de concreto de gravedad, o presa de concreto del tipo de arco. 4.1-Presas de tierra - Las presas de tierra constituyen el tipo de presas más común, principalmente por su construcción ya que intervienen materiales en su estado natural que requieren el mínimo de tratamiento. Además, los requisitos para sus cementaciones son menos exigentes que para los otros tipos. Es probable que las presas de tierra continúen prevaleciendo sobre los demás tipos para fines de almacenamiento, parcialmente, debido a que el número de emplazamientos favorables para las estructuras de concreto está disminuyendo como resultado de los numerosos sistemas de almacenamiento de agua que se han emprendido, especialmente en las regiones áridas y semiáridas en las que la conservación del agua para riego es una necesidad fundamental. - Aunque dentro de la clasificación de las presas de tierra están comprendidos varios tipos, los adelantados obtenidos en los equipos de excavación, acarreo y compactación de ma teriales terrosos, ha hecho el tipo de presas de tierra compactada tan económico que virtualmente ha reemplazado los tipos de terraplenes hi dráulicos y semihidráulicos.
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Lo que es especialmente cierto al tratarse de la construc ción de pequeñas estructuras, en las que relativamente pequeña cantidad de material que hay que manejar, impide la instalación de la planta de grandes dimensiones que es necesaria para la eficiencia de las operaciones hidráulicas. Las presas de tierra compactada se subdividen en presas de un solo material, o de varios, o con diafragmas. - Las presas de tierra requieren estructuras complementarias que sirvan de vertederos de demasías. La principal desventaja de una presa de tierra es que, si no tiene suficiente capacidad, el vertedor de demasías puede dañarse y aún destruirse por el efecto erosivo del agua que llegue a rebasarla. También están sujetas a sufrir seri os daños y aún a fallar debido a las perforaciones echas por animales cavadores, a menos que se tomen precauciones especiales. - A menos que el emplazamiento de la presa quede fuera del cauce de la corriente, se deben de tomar medidas para desviar la corriente durante la construcción a través del emplazamiento por medio de un conducto, o alrededor del mismo por medio de un túnel. De otra manera, se deben incorporar en el proyecto medidas especiales que permitan que el agua pase sobre el terraplén durante la construcción. Este tipo de derivación solamente ´ debe usarse cuando se disponga de personal experimentado en este trabajo.
4.2-Presas de enrocamiento - En las presas de enrocamiento se utilizan rocas de todos los tamaños para dar estabilidad a una membrana impermeable. La membrana puede ser una capa de material impermeable del lado del talud mojado, una loza de concreto, un recubrimiento de concreto asfáltico, placas de acero o cualquier otro dispositivo semejante; o puede ser un núcleo interior delgado de tierra impermeable. - Como los terraplenes de tierra, los de roca están sujetos a daños y destrucción si los rebasa el agua y, por lo tanto, deben de tener un vertedor de demasías de la capacidad adecuada para evitar que esto suceda. Una excepción la constituyen las presas derivadoras extremadamente bajas en las que el enrocamiento está especialmente proyectado para soportan los derrames. - Las presas de enrocamiento requieren cimentaciones que no estén sujetas a asentamientos de magnitudes suficientes para romper la membrana impermeable. Las únicas cimentaciones adecuadas, por lo general, son la roca o la arena compactada y la grava. - El tipo de enrocamiento se adapta a los emplazamientos remotos, donde abunda la roca buena, donde no se encuentra tierra buena para
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una presa de tierra, y donde la construcción de una presa de concreto resultaría muy costosa. 4.3-Presas de concreto de tipo gravedad - Las presas de gravedad, o de concreto se adaptan a los lugares en los que se dispone de una cimentación de roca razonablemente sana, aunque las estructuras bajas se pueden establecer sobre cimentaciones aluviales si se construyen los datos adecuados. Se adaptan bien para usarse como cresta vertedora y, debido a esta ventaja, a menudo se usan formando una parte vertedora de las presas de tierra y enrocamiento o de una presa derivadora. -AI empezar el siglo XX, algunas de las presas de gravedad se construyeron de piedra. Sin embargo, la cantid ad de mano de obra requerida en esta operación ha sido causa del uso exclusivo que se hace del concreto en la construcción de las presas modernas de gravedad.
h p Las presas de materiales sueltos son terraplenes artificiales construidos para permitir la contención de las aguas, su almac enamiento o su regulación. Este tipo de presa fue la más utilizada en la antigüedad. En los siglos XIX y XX han tenido uso bastante difundido debido al rápido desarrollo de la técnica para trabajos con tierra y roca, y por la gran variedad de esquemas constructivos que permite utilizar prácticamente cualquie r suelo que se encuentre en la zona, desde materiales de grano fino hasta su elos rocosos previamente fracturados. Además de esto, las presas de materiales sueltos tienen menos exigencias a la deformabilidad de la fundación que cualquier otro tipo de presa.
En Colombia, éste es el tipo de presa más difundido entre los grandes proyectos hidroenergéticos. Algunos ejemplos son: Calima con 115 m de al tura y construida en la década de los 60; presa de Golillas (Chingaza) de 127 m y construida en los 70¶s; la presa Esmeralda (Chivor) con 277 m y construida también en la década de los 70¶s, presa que fue de las más altas del mundo en su época; la presa de Salvajina con 150 m y construida en la década de los 80¶s; la presa del Guavio con una altura total de240 m y acabada de const ruir en la década de los 90¶s. Cualquier tipo de presa debe ofrecer condiciones de seguridad durante la construcción y en el transcurso de su operación. Para ello, es importante que exista u na buena coordinación entre el diseño y la construcción para asegurar que se h agan las correcciones necesarias de manera que las obras se ajusten lo mejor posible a las condiciones reales de campo.
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I. De acuerdo a los materiales utilizados I.1 Presas de tierra, en las cuales el volum en principal del cuerpo de la presa se hace con suelos arcillosos, arenosos, o areno-gravillosos de grano fino. I.2 Presas de roca-tierra, en las cuales el volumen principal del c uerpo de la presa se hace de suelos de grano grueso y los elemen tos anti filtrantes de suelos de grano fino. I.3 Presas de enrocados, en las cuales el cuerpo principal de la p resa se hace de materiales con grano grueso y los elementos anti filtrantes de materiales aglutinados (pantallas anti filtrantes). II. Según el esquema constructivo de la presa II.1 Presas homogéneas, con un solo material en contacto con el filtro. II.2 Presas heterogéneas, en las que el cuerpo se compone de dos o más clases de suelos. Las presas heterogéneas a su vez se dividen según la colocación del elemento anti filtrante, así: Presas con núcleo vertical Presas con núcleo inclinado Presas con pantalla impermeable aguas arriba III. Según el método de ejecución de los trabajos III.1 Terraplenado III.2 Relleno hidráulico III.3 Material arrojado IV. Según la condición de paso de los caudales de construcción y operación IV.1 Presas sordas: Son aquellas en que el caudal de filtración a través del cuerpo de la presa es mínimo en comparación con los caudales que son evacuados durante la construcción y la operación. IV.2 Presas filtrantes: Este tipo de presa puede hacerse de pied ra (gaviones) sin elementos especiales anti filtrantes, permitiendo el paso de caudales apreciables a través de su cuerpo. IV.3 Presas auto-vertedoras: Son aquellas que tienen cresta y taludes dispuestos con estructuras
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de descarga de agua a flujo libre para permitir el paso de cau dales de construcción o de operación. h p ! "p
Las presas flexibles homogéneas y mixtas son aquellas estructuras construidas con tierra, o con una combinación de enrocado y núcleo impermeable de materiales finos. Las dimensiones del perfil de presas flexibles no se deducen de cálculos matemáticos, sino que se determinan por los resultados dados por la experiencia de otras presas existentes y en operación, o de otras construidas y falladas. Las dimensiones que se adopten deben ajustarse por los requerimientos dados por los cálculos de estabilidad. La construcción del terraplén se debe iniciar tan pronto esté finalizada la operación de preparación de la fundación, se haya excavado la caja del dentellón, y se haya colocado la tubería de conducción de la obra de toma. De ser posible se usan los materiales provenientes de las excava ciones, aunque se puede dar el caso de que las condiciones de éstos no sean tan buenas como las obtenidas de los bancos de préstamo. Antes de excavar el material en los bancos de préstamo se deberá hacer una inspección cuidadosa del material disponible, una determinación de las profundidades máxima s de corte, y un estudio de la zona en que se va a colocar con el fin de evitar operaciones innecesarias y el uso de materiales inadecuados. Si se dispone en las fuentes de présta mo de materiales de diferentes calidades, el mejor se destinará para la zona central del núcleo. 1. Cimentación de las presas · La cimentación debe proporcionar un apoyo estable para el terr aplén en todas sus condiciones de carga y saturación. · Debe tener resistencia a la filtración para evitar daños por erosión y pérdidas de agua. · El área de la fundación de la presa se debe limpiar totalmente removiendo todos los árboles, malezas, raíces, piedras, tierra vegetal, basuras, materiales permeable s, etc., hasta llegar a una capa de suelo resistente y adecuada. La superficie obtenida pa ra la fundación deberá ser escarificada antes de comenzar a construir el terraplén. · El área de fundación correspondiente a cauces de arroyos deber á ser limpiada, profundizada y ampliada hasta remover todas las piedras, grava, arena, y cualquier material indeseable. La limpieza de los cauces se efectúa profundizando de manera que los taludes de la excavación sean estables. · Cuando se encuentre roca durante la preparación de la fundación , es importante que ésta quede perfectamente limpia removiéndose de su
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superficie toda costra o fragmento de roca. · Es importante que se realice simultáneamente la preparación de la fundación y la excavación para la tubería de toma de agua de acuerdo con las pendientes y dimensiones mínimas indicadas en planos. · En esta etapa de la construcción es importante tomar todas las previsiones para controlar el agua hasta que se concluya la obra. 1.1 Tipos de cimentación ·Cimentaciones en roca En general no presentan problemas de resistencia a la capacidad portante. El principal problema lo constituyen las filtraciones excesivas por fisuras y grietas. Cimentaciones en limo-arcilla El problema estriba no tanto en las filtraciones como en la e stabilidad del suelo de la cimentación. · Cimentaciones saturadas Es necesario estudiar el grado de consolidación del suelo previa identificación del mismo. El estudio es extensivo y puede resultar costoso. Algunas medidas constructivas son: reemplazar o quitar los suelos blandos, instal ar sistemas de drenaje durante la construcción, suavizar los taludes del terraplén. · Cimentaciones relativamente secas Son suelos buenos desde que la relación de vacíos sea adecuada. S i el suelo es seco y de baja densidad pueden surgir asentamientos considerables cuando se cargue la presa y se sature el suelo, causando la falla bien sea por asentamientos totales y dismi nución del borde libre de la presa, o por asentamientos parciales que pueden partir el núcleo impermeable. Medidas constructivas a tomar son: reemplazo del suelo; delantal es impermeables aguas arriba; filtro permeable aguas abajo; humedecimiento previo del suelo. Cimentaciones en arena y grava Frecuentemente la cimentación de p resas flexibles consiste en depósitos aluviales de arena y grava relativamente permeables. Se presentan los siguientes problemas básicos: magnitud de las filtraciones subterráneas, presiones producidas por las filtraciones; tubificaciones; y licuefacción. Arenas sin cohesión de baja densidad son peligrosas como fundación.
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Al presentarse pérdidas de agua del embalse hay que hacer la co nsideración sobre qué sale más caro: si el agua que se pierde o el tratamiento anti filtrante. Todas las presas construidas sobre material permeable deben tener un dren aguas abajo. 1.2 Medidas para mejorar la cimentación de las presas Los problemas de filtración se present an generalmente aguas abajo debido a que la fuerza de presión del agua (subpresión) en un punto dado de la cimentación iguala a la presión ejercida por el peso combinado del suelo y agua por encima de él. Para contrarrestar filtraciones, se puede usar alguno de los sistemas siguientes o combinación de ellos. a) Dentellones de tierra del mismo material del núcleo impermeable de la presa. Siempre que sea posible, las filtraciones de una cimentación permeable se deben cortar con un dentellón que llegue el estrato impermeable. La anchura mínima del fondo (e) varía entre 0.6 m (USBR) y 1.0 m (HIMAT, para presas pequeñas), y se puede calcular tentativamente así: e =H-d e = ancho del fondo del dentellón H = carga hidráulica arriba de la superficie del terreno. d = profundidad del dentellón por debajo de la superficie de l terreno. Profundidad mínima del dentellón = 0.20H. El dentellón puede tener las paredes verticales o inclinadas dismin uyendo hacia abajo, ya que las fuerzas de filtración han disminuido al hacer el agua su recorrido en sentido vertical. Es necesario controlar el agua mientras permanezca abierta la excavación para el dentellón. b) Dentellones parciales Experimentos hechos han demostrado que un dentellón que se profundice un 50% de la distancia en el estrato permeable reduce un 25% la filtración, y si se profundiza un 80% las filtraciones se reducen en un 50%. c) Dentellones con tablestacas de acero Se usan ocasionalmente en combinación con un dentellón en tierra. Están limitados a cimentaciones de limo, arena y grava fina pues problemas del hincado en gravas pueden esperarse al romperse o doblarse el dentellón, aparte que resultan costosos. Por las uniones se pueden presentar filtraciones por lo que su efectividad se reduce.
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Taludes para presas pequeñas de tierra de sección compuesta en cimentaciones estables. CORONA El ancho mínimo que se da a las presas pequeñas en su corona obedece a los siguientes factores: · Dar mayor volumen a la presa para mejorar su seguridad y estabilidad. · Establecer los servicios necesarios sobre la presa, utilizándo la como vía de mantenimiento e inspección. · Facilitar la construcción con los equipos disponibles.
El HIMAT (1984) dice: · Ancho mínimo cuando no se usa como vía = 3.0 m ·Ancho mínimo cuando se usa como vía = 3.60 m. El ancho mínimo usado en Italia es de 2.5 m. Una recomendación práctica es tomar el ancho de la corona iguala ¼ de la altura. El drenaje superficial de la corona se logra dando un bombeo así: · Pendiente transversal cuando el talud seco está revestido: 2% h acia ambos lados a partir del centro.
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estrato dado por donde se filtra el agua es uniforme en su permeabilidad. En realidad, en los estratos de suelos natur ales, la permeabilidad varía de punto a punto, especialmente a lo largo de líneas normales a los límites del estrato. Por ello, la diferencia entre una red de filtración crudamente esquematizada y otra ex acta es comúnmente pequeña, comparada con la diferencia entre la fluencia del agua en el suelo real y la que indica la red de filtración exacta. La universalidad de esta circunstancia hace que los refinamientos en la construcción de redes de filtración, como los estudios detallados sobre modelos físicos o matemáticos no se justifiquen desde el punto de vista práctic o para proyectos de presas pequeñas.
ESTABILIDAD DE LA PRESA
La estabilidad de los taludes de una presa se determina por su cap acidad para resistir esfuerzos cortantes ya que la falla se produce por deslizamiento a lo largo de una superficie de corte. El análisis de estabilidad de la presa consiste en determinar la est abilidad de sus taludes aguas arriba y aguas abajo. Se hace por unida d de longitud de talud. Este es un proceso de tanteos en que se suponen diferentes condiciones de carga a que puede estar sometida la presa. Las fuerzas que producen el movimiento de la masa que constituye el talud son : fuerzas de gravedad, fuerzas sísmicas, acción del oleaje, del hielo y sobrecargas. Las fuerzas q ue se oponen al movimiento son las debidas a los parámetros de resistencia del suelo que constituye el terraplén: cohesión y fricción interna del material. Los terraplenes hechos de materiales granulares son más estables ya que tienen mayor resistencia a la fricción y por ser más permeables permiten la rápida disipación de las presiones intersticiales. Por esto, presas homogéneas de materiales más o menos impermeables llevan taludes más tendidos que las presas mixtas o las de enrocado.
El talud de aguas arriba por estar sometido a la permanente acción del agua es más tendido que el de aguas abajo. La situación máscrítica para el talud aguas arriba es el rápido desembalse que sigue a un largo periodo de niveles altos en el embalse, y para el talud aguas abajo es la máxima saturación del terraplén cuando el embalse está lleno.
MÉTODOS PARA ANALI AR LA ESTABILIDAD DE UN TALUD a) Método sueco b) Método de Fellenius
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c) Método de Bishop Modificado
Además, de los anteriores que son bastante usados mundialmente, existen otros más rigurosos (Sarma, Morgenstern y Price, Spencer) e incluso otros más rápidos que sirven como guía para estimar la posición del centro del círculo crítico, determinar el tipo probable de falla y encontrar el ángulo del talud adecuado a los requerimientos de seguridad (Duncam y Buchigmani). a) Método sueco Uno muy sencillo es el método sueco o el d el círculo de falla por deslizamiento, que puede afectar a parte del talud, a todo el talud o a éste y parte de la cimentación. Este es un método de tanteos en el cual: 1) Se fija un centro del círculo de falla y su radio, de forma qu e desde el centro se traza un círculo que divide en dos el terraplén. 2) Se determinan las fuerzas actuantes y resistentes. 3) Se calculan los momentos. 4) Se determina el factor de seguridad del círculo supuesto. 5) Se suponen otros círculos de falla y encontrar el factor de seguridad del talud. El método sueco se puede aplicar a cualquier pendiente y combin ación de fuerzas para suelos netamente cohesivos o sea cuando la resistencia al esfuerzo cortante del suelo sea indepen diente de los esfuerzos normales al plano de falla (IJ = C). El factor de seguridad por este método está entre 10% y 15% más bajo que otros métodos más exactos.
b) Método de Fellenius
Es un método en que la superficie de falla se divide en n dovel as o tajadas para analizar el sistema de fuerzas. Este método al igual que el de Bishop permite considerar materiales heterogéneos y analizar otras superficies de falla. También, es co nveniente utilizar este método cuando la resistencia al esfuerzo cortante del suelo es función de los esfuerzos normales o sea:
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4.- deslizamiento del talud aguas abajo. 5.- sismos. 6.- licuación. 7.- perdidas por filtración.
Fallas por rebase de la cortina. En presas de tierra es siempre catastrófico que el ag ua rebase la cortina y escurra por el talud aguas abajo, debido precisamente a la naturaleza erosionable de los materiales que intervienen en su composición. Por esta razón, la presa debe estar provista de una estructura auxiliar denominada vertedor (aliviadero), que permita el alivio del vaso cuando este se llena a su máxima capacidad. Dada la naturaleza de sus funciones, el vertedor de excedencias debe estar construido con materiales no erosionables, como hormigón o, en obras más chicas, mampostería. Es por ello que el rebase de la cortina debido a insuficiencia del vertedor ocurre generalmente por una mala estimación del gasto correspondiente a la avenida máxima que deba desalojar éste. La consecuencia es que al presentarse una avenida mayor que la prevista, el vertedor no la desahoga y el agua se vierte sobre la cortina, erosionándola y dañando el talud aguas abajo, con las consecuencias ya indicadas anteriormente. Según estudios de Middlebrooks, 1953, la falla por rebase de la cortina debido a insuficie ncia del vertedor, constituye la más frecuente causa de falla catastrófica conocida.
Falla por sifonamiento mecánico. Cuando el agua fluye a través del suelo, su carga hidráulica se disipa venciendo las fuerzas viscosas inducidas y que se oponen al fl ujo en los canalículos formados entre las partículas; recíprocamente, el agua que fluye genera fuerzas erosivas que tienden a empujar las partículas, arrastrándolas en la dirección del flujo. En el momento en que este arrastre se produce, ha comenzado el sifonamiento mecánico del suelo. Inevitablemente existen en la masa del suelo lugares en que se concentra el flujo de agua y en los que la velocidad de filtración es mayor (gradiente hidráulico alto); los lugares en que estas concentraciones emergen al talu d aguas abajo, donde el suelo no está confinado, son particularmente críticos en lo referente a posibilidades de arrastre de partículas sólidas; una vez que las partículas empiezan a ser removidas van quedando en el suelo pequeños canales por los que el ag ua circula a mayor velocidad, con lo que el arrastre se acentúa, de manera que el fenómeno del sifonamiento mecánico tiende a crecer continuamente una vez que comienza, aumentando siempre el diámetro de los canales formados. El límite final del fenómeno es el colapso del bordo, al quedar éste surcado por conductos huecos de gran diámetro que afectan la estabilidad de la sección resistente hasta la falla. OBRAS HIDRAULICAS
Un factor que contribuye mucho al sifonamiento mecánico es la insuficiencia en la compactación del terraplén, que deja alguna capa del mismo suelta y floja; esto es particularmente probable cerca de muros o superficies de hormigón, tales como ductos o tubos. Un ejemplo típico de esto fue la falla orig inal por sifonamiento mecánico de la presa Falla por agrietamiento. Posiblemente las fallas por agrietamiento causados por asentamientos diferenciales en la cortina de tierra sean mucho más numerosas de lo que la literatura sobre el tema pudiera hacer p ensar; en efecto, se reportan como tales los grandes agrietamientos que no pueden pasar inadvertidos, pero posiblemente muchas fallas de presas que se achacan a otras causas, principalmente sifonamiento, tienen su origen en la aparición de grietas y fisuras no muy grandes en la masa de tierra. El agrietamiento se origina cuando la deformación dela cortina produce zonas de tracción, que aparecen por asentamiento diferencial de la masa del suelo, sea por deformación del propio cuerpo del terraplén o del terre no de cimentación. Como quiera que por estas causas la presa pueda deformarse de muchos modos, los sistemas de agrietamiento, que el ingeniero puede encontrar en sus inspecciones a presas son de una inmensa variedad. Las grietas pueden aparecer paralelas o transversales al eje de la cortina y la orientación del plano de agrietamiento puede ser prácticamente cualquiera. El agrietamiento puede ocurrir con anchos abiertos hasta de 15 ó 20 cm. si bien son más comunes anchos de grietas de 1 ó 2 cm. Las presas de pequeña altura son las que más comúnmente sufren el fenómeno, pero también se presenta con frecuencia en las partes superiores delas presas altas. El que las presas menores sean las más susceptibles al fenómeno, quizás se deba a que las presiones grandes que hay en el interior de las presas mayores protegen al suelo. Las grietas más peligrosas son las que ocurren transversalmente al eje de la cortina, pues crean una zona de concentración de flujo; son producidas generalmente por asentamiento diferencial, de la zona de la cortina próxima a las laderas de la boquilla, respecto a la zona central del cauce.
Falla por deslizamiento de taludes. La falla por deslizamiento de taludes es quizá la más estudiada de todas las que frecuentemente ocurren en las pres as de tierra. La razón es que, además de su importancia intrínseca, es el tipo de falla más susceptible de análisis y cuantificación con los métodos existentes para el estudio de estabilidad de taludes. Existe un buen volumen de información estadística res pecto a este tipo de falla, de la que se desprende que las fallas por deslizamiento ocurren preponderantemente en los primeros tiempos de la vida de la presa y también, y ésta es sin duda una conclusión alentadora, acontecencada vez
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másraramenteenpresasdereciente y cuidadosa construcción; de hecho parece haber evidencia suficiente para poder decir que si el diseño y la construcción de una presa, por alta que sea, se cuidan lo necesario, las técnicas de que se dispone permiten adoptar una actitud de tranquil idad ante la posibilidad de ocurrencia de estas fallas. Las fallas por deslizamiento suelen considerarse divididas en tres tipos principales: 1. Falla durante la construcción 2. Falla durante la operación 3. Falla después de un vaciado rápido Falla durante la construcción. Estas fallas han sido menos frecuentes que las ocurridas durante la operación; nunca han sido catastróficas. Las fallas se han presentado sobre todo en presas cimentadas en arcillas blandas, con gran porción de la superficie de falla a través de ese material, y pueden ser rápidas o lentas, según que el material de cimentación sea homogéneo o presente estratificaciones que favorezcan el movimiento. En Cuba, hasta donde conoce el autor, no se ha reportado este tipo de falla por deslizamiento. Falla durante la operación. Las fallas por deslizamiento de taludes que han ocurrido durante el período de operación de las presas de tierra, han sido sobre todo de dos tipos: profundas, con superficie de falla invadiendo generalmente ter reno de cimentación arcilloso, y superficiales, afectando sólo pequeños volúmenes del talud. Estas últimas son las que se han producido en Cuba, según referencias personales al autor, en la presa aza, Sancti Spíritus, y en la presa Herradura, Pinar del Rí o, y ninguna delas dos han sido catastróficas. El talud afectado es siempre el de aguas abajo.
Falla después de un vaciado rápido Todas las fallas de importancia reportadas por deslizamiento del talud aguas arriba han ocurrido como consecuencia de un v aciado rápido. Las fallas del talud aguas arriba no han causado el colapso dela presa o pérdida de agua en el almacenamiento, pero frecuentemente han causado situaciones de peligro al tapar conductos, galerías, etc. En el mencionado estudio de Sherard, 195 3, respecto a 12presas, mostró que las fallas se presentaron en casos en que el nivel del agua estuvo descendiendo a partir del máximo hasta la mitad de la altura a razón de 10 a15 cm/día. Una buena parte de las fallas durante el vaciado han ocurrido la primera vez que esta operación se efectúa en forma
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importante. En Cuba, hasta donde conoce el autor, tampoco se hare portado este tipo de falla por deslizamiento. Prácticamente todas las fallas profundas por deslizamiento en presas de tierra han ocurrido en aquellas construidas sobre terrenos arcillosos plásticos y con importante contenido de agua. También se ha observado una relación definitiva entre el riesgo de falla y lo arcilloso que sea el material que constituye la cortina. En la referencia mencionada de Sherard, 1953, se analizaron 65 presas de sección homogénea, de las que 14 sufrieron deslizamientos. Todas ellas estaban construidas con arcillas cuya plasticidad podría describirse cuando menos como, media (15 I 0.06 mm falló, y ello aun tomando en cuenta que algunas tenían taludes bastantes escarpados y padecían defectos de compactación con D. Falla por sismo. Juzgando por la experiencia de Sherard, et al, 1963, puede decirse que las fallas producidas por lossismos en las presas de tierra han presentado lassiguientes características: 1. Las fallas más frecuentes son grietas longitudinales en la corona de la presa y asentamiento en la misma. 2. Solo existe un caso en que se ha reportado la destrucción total de una presa de tierra por sismo, probablemente debido a licuación. 3. Los daños en las presas parecen haber sido causados principalmente por la componente horizontal del movimiento sísmico en d irección transversal al eje de la cortina. 4. Existen muy pocas fallas por deslizamiento tienen mayores períodos (menores frecuencias) atribuibles a estos temblores de tierra, aún en cortinas deficientemente compactadas. 5. Hay ciertos indicios que permiten pensar que los sismos que causan más daños a presas que los que causan la máxima destrucción en edificios. Por esto, presas muy próximas al epicentro de un temblor pueden salir mucho mejor libradas que otras colocadas a distancias mucho mayores. 6. Los espaldones granulares mal compactados (bajo peso específico seco,) o formados por fragmentos de roca muy contaminada por finos, puede sufrir fuertes asentamientos por sismo, que provocarían dificultades al elemento impermeable. Así, la compacidad adecuada y el lavado de las rocas que lo ameriten constituyen una precaución indispensable
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7. Del sismo puede emanar el riesgo de la falla por licuación que se describirá a continuación. En Cuba no se ha reportado, hasta donde el autor conoce, fallas por temblores, si bien es cierto que los sismos ocurridos son de pequeña intensidad. Falla por licuación. Este fenómeno de la licuación está asociado a limos y arenas no plásticas. En el caso de una presa de tierra, la licuación de materiales en la cortina conduce a un derrame de los mismos en grandes áreas, hasta adoptar taludes irregulares y muy tendidos, que en algunos casos pueden sobrepasar el valor 10:1. Como ya se dijo, los suelos más susceptibles a la licuación son los finos, no cohesivos, de estructura suelta y saturado s. Estas características describen a las arenas finas y uniformes y a los finos no plásticos, o sus mezclas. Las arenas sueltas con D10< 0,1mm y coeficiente de uniformidad, C < 5 y los limos con I < 6up % son los materiales más peligrosos, tanto en la cortina como en el terreno de cimentación de una presa de tierra. Pérdidas por filtración. Para los casos de presas de tierra, cuyo objetivo principal sea el almacenamiento, constituiría una falla grave, aunque no catastrófica, la infiltración del agua d el embalse, ya sea a través de la cimentación o la cortina, que impida que la misma alcance su objetivo de almacenar agua. Tal fue el caso de la micropresa Cuatro Caminos de Falcón, construida a finales de la 7ma década del siglo pasado en el municipio La Lisa, Ciudad de La Habana, Cuba, que no llegó a almacenar agua por encontrarse en zona cárstica el embalse
ANALISIS MEDIANTE CALCULO MANUAL DISEÑO DE LA PRESA DE TIERRA Datos del problema: Presa de tierra y sección compuesta. Bordo libre: 1.50m Altura de la presa: 30m. Sujeto a desembalse rápido. Con el núcleo máximo. Material SC, SM. Almacenamiento. Cohesión: Peso específico de los materiales:
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s
Corona de tablas: 4.50m, optamos por 5.00m. Taludes de la tabla 16
Calculo de la linea de saturación:
OBRAS HIDRAULICAS
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Cálculo de áreas bajo las curvas: Área T: 659.085 m2 Área N: 2121.336 m2 Área S: 537.468 m2 Angulo de fricción interna: ø=35 ° Cohesión: 6 Longitud de la superficie de falla: L= 90.118 m Cálculo del factor de seguridad: j
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j
Análisis del talud agua abajo: Se efectúa el análisis de estabilidad para la condición de presa llena. Se tienen las siguientes propiedades mecánicas de los suelos: Grava y arena:
= 1.6 Tn/m3
=35
C=0 Tn/m2
Núcleo imp.
= 2.27 Tn/m3
=36
C=6 Tn/m2
El círculo de falla para el análisis de estabilidad es semejante al análisis anterior CASO A: Círculo tangente a la superficie de contacto entre la presa y la cimentación.
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Cálculo de áreas bajo las curvas: Área T: 659.085 m2 Área N: 2121.336 m2 Área S: 709.886 m2 Angulo de fricción interna: ø=35 ° Cohesión: 6 Longitud de la superficie de falla: L= 90.118 m Cálculo del factor de seguridad: j
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j
Finalmente para los dos casos del análisis, se tiene que el factor de seguridad FS es lo suficientemente grande.
OBRAS HIDRAULICAS
Análisis del Circulo B Obtuvimos un circulo con en centro por tanteo con la condición que la superficie de falla pase por la cimentación (del mismo material de la presa) y por la otro el talud aguas debajo de la presa. Del gráfico: Para vaciado rápido tenemos el diagrama de flujo del ³Grafico B -1´ Entonces tenemos.
Nº h1 (grava)
h2 (Mat. cohesivo)
6
Total
Angulo
N =Total (sen)
T =Total (cos)
6
1
13.4 21.44
8.73
19.82
V
12.48
40.28
8.92
2
10.8 17.28
29.85
67.76
$%V
7
84.41
10.36
3
7.45 11.92
48.27 109.57
V
0
121.49
0.00
4
4.1
6.56
63.29 143.67
%
7.33
149.00
19.17
5
0.75
1.2
74.87 169.95
%
9.73
168.69
28.93
6
6.21
9.94
54.26 123.17
18.63
126.13
42.52
7
6.92 11.07
$
25.43
61.25
29.12
25
56.75
Áreas obtenidas de AutoCAD: (grafico B-2) Parámetro L Área (N) Cohesivo Área (N) Grava Área (T) Área (S)
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magnitud 278.7 m 25562.0 V 133.0 V 3351.4 V 6699.0 V
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Conclusión: Un FS alto VV lo que nos dice que la cimentación es óptima y no es necesario comprobar el mismo tipo de círculo aguas abajo: OBRAS HIDRAULICAS
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S ,
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BIBLIOGRAFIA Textos:
Proyectos de obras hidráulicas .- Jesus Villaseñor contreras.
Presas de tierra y enrocamiento.- Raul J. Marsal y Daniel Resendiz.
Hidráulica &Termofluidos © UNMSM. Facultad de Ciencias Físicas ISSN versión impresa 1810-8369
Criterios para diseñar presas de tierra. - Msc. Ing. Rolando Armas Novoa.
Autores de la red Ing. Jaime Suarez Diaz. Sitios eb http://fiselect2.fceia.unr.edu.ar/geologiaygeotecnia/Presas%20de%20tier ra.pdf. http:// .4shared.com/get/7Dcnu3d /PRESAS_DE_TIERRA_US_AR MY_2004.html. http://sisbib.unmsm.edu.pe/bibvirtual/Publicaciones/hidraulica_mecanica/ 1999_n1/equipo.htm. http://atenea.unicauca.edu.co/~hdulica/presas_flexibles.pdf . http://fluidos.eia.edu.co/presas/tipos_presa/paginas/p_de_tierra.htm .
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ANALISIS POR MEDIO DEL PROGRAMA SLIDE V.5.0 Para este análisis se requiere los siguientes datos y los pasos a seguir son: ANALISIS DE LA PRESA AGUAS ARRIBA Condicion: Vaciado Rapido 1. Debemos tener las dimensiones de la presa Datos del problema: Presa de tierra y sección compuesta. Bordo libre: 3.00m Altura de la presa: 30m. Sujeto a desembalse rápido. Con el núcleo máximo. Material SC, SM. Almacenamiento. Cohesión: Peso específico de los materiales: 2. Debemos tener las siguientes propiedades de la presa de sección compuesta Grava y arena:
= 1.6 Tn/m3
=35
C=0 Tn/m2
Núcleo imp.
= 2.27 Tn/m3
=36
C=6 Tn/m2
3. Luego debemos dar denominación a cada tipo de suelo
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Tener presente que las unidades del programa son en las densidades KN/m3, las cohesion y presiones en KN/m2 y el angulo en grados. 4. Asignamos las propiedades del fluido (para nuestro caso agua) 5. Colocamos una carga por donde pasara el circulo de falla.(en la cresta de la presa.
6. Procedemos con estos datos al análisis de la línea de saturación y las líneas de saturación de la presa. 7. Luego ubicamos un espacio de donde se generaran los círculos de falla escogiendo de esta manera el m as critico o también podemos ver todos los círculos de falla posibles con sus respectivos factores de seguridad.
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8. Luegovemos la información de la componentes de la presa como la Normal La tangencial El peso y otros valores .
9. Luego nos proporciona el factor de seguridad
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ANEXOS DE PRESAS
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OBRAS HIDRAULICAS
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