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PRESAS DE TIERRA Y ENROCADO

Ing. Jaime Suárez Díaz erosion.com.co

Otras referencias

Clasificación de las presas

De acuerdo con lo establecido en la Comisión Internacional de Presas Grandes (Internacional Comision on Large Dams-ICOLD), las presas pueden clasificarse en dos categorías: · Grandes Presas: Dimensiones: altura > 15 m, corona > 500 m, embalse > 1 Hm3 o Capacidad de desagüe > 2000 m3/s, también por características especiales de cimentación o diseño. · Pequeñas Presas: Todas las que no cumplan con las condiciones anteriores.

Clasificación por material De acuerdo con el material con el que fue construida la presa · Tierra: Materiales compactados, no rígidos, seleccionados y con un grado de humedad óptimo. Pueden haber presas en tierra homogéneas o zonificadas por diferentes granulometrías. · Enrocados: grandes diámetros. · Concreto: Concreto convencional o CCR “concreto compactado con rodillo”.

Clasificación por tipo Por la forma de resistir el empuje hidrostático. · De Arco o Bóveda: Trasmiten el empuje al terreno. · De Gravedad: Resisten por el peso propio (macizas y aligeradas). · De Arco Gravedad: Resisten por combinación de su peso y trasmisión al terreno.

En Concreto

En Tierra

Por que se construyen presas en tierra?

1. Generalmente son más económicas 2. Resisten mejor los asentamientos de la cimentación

Cuando se refiere a tierra el enrocado o escollera se encuentra incluido

El enrocado es uno de los materiales más utilizados en la construcción de presas

Previamente al diseño se debe definir el objetivo de la presa y las necesidades y expectativas

HIDROELECTRICO RIEGO ACUEDUCTO REGULACION DE AGUAS CONTROL DE INUNDACIONES RECREACION ETC.

ACUEDUCTO

El uso del proyecto determina una gran cantidad de elementos del diseño

HIDROELECTRICA

Riego

Recreación

Reservorios

Partes de una presa de tierra

Estribo derecho Talud aguas abajo Talud aguas arriba Vertedero principal Muros del vertedero

Berma

Corona Rip-Rap Salida del sub-dren Pié de la presa

Vertedero de emergencia

Estribo izquierdo

Partes de una presa de tierra

Operador mecánico Casa de máquinas

Compuertas del vertedero

Vertedero principal Estribo izquierdo del vertedero

LLoraderos

Estribo derecho del vertedero

Seccion de una presa de tierra Dren

Embalse Espaldón Núcleo El terraplén es una estructura para contención de agua construída con materiales y suelo y/o roca

Requerimientos técnicos La presa, la cimentación y los estribos deben ser estables para todo tipo de condiciones de carga estáticas y dinámicas.

Requerimientos técnicos La infiltración a través de la fundación el terraplén debe ser controlada para evitar deslizamiento, presiones de levantamiento en el pié de la presa, sifonamiento de los materiales o erosión en juntas, grietas o cavidades

Requerimientos técnicos

Las infiltraciones no deben superiores a las permisibles para que la presa cumpla eficientemente con su propósito. La presa debe contener las obras y elementos requeridos para garantizar unas infiltraciones aceptables.

Requerimientos técnicos El borde libre debe se suficiente para evitar el paso de agua sobre la presa debido a cambios de caudal, ascenso de las olas, y asentamientos del terraplén.

Borde libre

Requerimientos técnicos El vertedero debe tener una capacidad suficiente para manejar los caudales de excesos durante la vida de la presa.

JAIME SUAREZ DIAZ

Informacion requerida para el diseño

HIDROLOGIA – CARACTERISTICAS DE LA CUENCA GEOLOGIA GEOTECNIA MATERIALES DISPONIBLES

JAIME SUAREZ DIAZ

TOPOGRAFIA

Decisiones iniciales

 SITIO DE PRESA  ALTURA DE EMBALSE

La altura de la presa se define sin tener muy en cuenta la geología y la geotecnia.

Selección del sitio •PARA LA PRESA • PARA EL ALIVIADERO O VERTEDERO

JAIME SUAREZ DIAZ

Generalmente el sitio se escoge por sus características topográficas y de localización

Selección del sitio •PARA LA PRESA • PARA EL ALIVIADERO O VERTEDERO

JAIME SUAREZ DIAZ

Presa de las tres gargantas

Selección del sitio

JAIME SUAREZ DIAZ

EJEMPLO (Brasil)

Datos del embalse. • Un análisis completo del área que se va a inundar. • Plano topográfico, propiedad de la tierra, clasificación del terreno, localización de vías y obras públicas de infraestructura y áreas que se requiere adquirir. • Disponbilidad de materiales para la construcción de la presa, mano de obra, aspectos ambientales, sedimentación y seguridad.

Diferentes tipos de terraplén para presas

Tipos de presa

Características del sitio Relieve (Topografía)

TALUD DE BAJA PENDIENTE TALUD CON GRADAS

TALUD SEMIVERTICAL

Evitar los taludes laterales de alta pendiente

CIMENTACION

• CAPACIDAD DE SOPORTE • ESTABILIDAD GENERAL • ASENTAMIENTOS • FILTRACIONES

CIMENTACION DEFINIR EL MATERIAL QUE SE VA A REMOVER PARA GARANTIZAR CAPACIDAD DE SOPORTE SUFICIENTE, ESTABILIDAD GENERAL Y ASENTAMIENTOS ACEPTABLES

Diseño del terraplen de la presa

 Deben prepararse varias alternativas de seccion de presa de acuerdo a los materiales disponibles  Analizar la estabilidad, costos y conveniencia de cada alternativa  La decision final del tipo de presa se basa principalmente en la experiencia y buen juicio

Elementos a diseñar

 Tratamiento requerido de la cimentación  Estabilidad de los estribos (laterales)  Control de las Filtraciones de agua  Estabilidad de los taludes de la presa  Estabilidad de los taludes del embalse  Habilidad de la represa para retener el agua embalsada  Borde libre y vertederos suficientes para manejar situaciones extremas

ALINEAMIENTO DEL EJE DE LA PRESA

 PARA PRESAS LARGAS SE RECOMIENDA QUE SEA RECTO  DEBEN EVITARSE LOS CAMBIOS FUERTES DE ALINEAMIENTO PARA EVITAR CONCENTRACIONES DE ESFUERZOS Y AGRIETAMIENTOS  LAS PRESAS CORTAS Y ALTAS DEBEN SER CONVEXAS HACIA AGUAS ARRIBA PARA QUE EL AGUA COMPRIMA LOS NUCLEOS CONTRA LOS ESTRIBOS. EL RADIO DE CURVATURA VARIA DE 300 A 1.000 METROS

Ancho de la cresta El ancho mínimo es de 3.0 metros. El US Corps of Engineers recomienda utilizar la siguiente formula: Cw = 0.4H + 1 (metros) Donde H es la máxima altura de la presa Siempre utilice el mayor ancho posible de cresta y la menor pendiente del terraplén donde existan cimentaciones o materiales poco confiables. Para reducir la erosión, las crestas deben tener una pendiente lateral de 2.5% hacia el talud aguas arriba.

Asentamientos

Todas las presas se asientan un poco después de la construcción y la cresta terminada debe estar en su punto central (de mayor altura) a una cota superior que en las esquinas.

Materiales de capas y filtros

• El material más fino se coloca y se compacta en la parte central del dique para garantizar la impermeabilidad. • El material más grueso se coloca cerca a los taludes para garantizar la estabilidad. • En la interfase entre materiales finos y gruesos deben diseñarse filtros en forma cuiadosas. Los filtros permiten el paso del agua pero previenen el paso de las partículas finas del núcleo.

Núcleo de materiales especiales

Núcleo de asfalto

Cimentación

• Debe tenerse cuidado de que el suelo de cimentación sea competente para soportar la carga. • En suelos blandos es importante distribuir la carga sobre una mayor área. • Si los suelos blandos tienen poco espesor, se recomienda excavarlos. • En lo posible debe cimentarse sobre roca.

Espolones • • • •

En ocasiones se construyen espolones (en zanjas excavadas) para garantizar el contacto del núcleo con la roca. La construcción de espolones evita la filtración de agua por debajo de la presa, especialmente cuando hay materiales permeables encima de la roca. Puede requerirse inyecciones en la fundación para garantizar la impermeabilidad. Debe tenerse especial cuidado con las presiones de inyección.

Estabilidad del terraplén • El diseño del terraplén debe basarse en los suelos disponibles, su contenido de agua y comportamiento de compactación. • Deben retirarse los bloques grandes de roca que dificulten la compactación. • Es imposible prevenir ciento por ciento la filtración de agua a través de la presa. • La permeabilidad de los materiales determina la rata a la cual el agua atraviesa el terraplén. • Todo terraplén debe tener un núcleo impermeable. • El espesor del núcleo depende del tipo de suelo y de la altura de agua.

Estabilidad del terraplén • El núcleo impermeable debe tener al menos ¼ de la cabeza de agua. • El ancho mínimo del núcleo es de 3 metros. • Si la fundación es permeable, debe construirse un espolón impermeable. • También pueden utilizarse colchones impermeables aguas arriba. • En todos los casos debe haber un filtro o dren aguas abajo.

Estabilidad del terraplén • Deben utilizarse taludes que por experiencia se haya encontrado que son estables en el tipo de materiales a utilizar. • Generalmente los taludes varían de 2H:1V a 3H:1V. • En todos los casos debe realizarse análisis de estabilidad utilizando sistema de equilibrio límite. • Deben realizarse ensayos de laboratorio para determinar la resistencia de los materiales compactados, la cual depende del contenido de agua y del tipo de compactación utilizado.

Talud escalonado

Subdrenaje y filtros La filtración de agua es un problema potencial que siempre debe tenerse en cuenta en el diseño. Deben diseñarse filtros y drenes para controlar el agua infiltrada. Los pies de la presa deben diseñarse en tal forma que se reduzcan los riesgos al mínimo.

Subdrenaje y filtros Los filtros deben diseñarse en forma «cuidadosa».

Falla presa Algodoes- Brasil

Filtros versus Drenes Históricamente los términos «filtro y dren» han tenido diferentes significados por diferentes autores y esto ha generado confusión. El «filtro» provee retención y drenaje en las presas de tierra y debe tener suficiente permeabilidad para actuar como un «dren». Como los materiales de «filtro» desarrollan ambas funciones, deben tener capacidad para actuar como «dren». Por esta razón, los términos «filtro o dren» pueden combinarse.

Esquema del funcionamiento de un filtro

El suelo fino trata de fluir con gradientes altos y se acumula junto al filtro.

A medida que se acumula mayor cantidad de material, el gradiente disminuye.

Finalmente se genera un equilibrio en la zona de contacto suelo-filtro

Gradación de las partículas del filtro El componente más importante del diseño de un filtro es la gradación del tamaño de las partículas tanto del terraplén como de los filtros. Los filtros son una mezcla de materiales granulares similar a la mezcla de los agregados para concretos, los cuales son mucho más resistentes cuando poseen cantidades iguales de grava y arena. Un material con cantidades iguales de grava y arena, se le conoce como material «bien gradado».

Gradación de las partículas del filtro Aunque los suelos bien gradados son generalmente aceptables para su uso como «filtros» no se puede concluir que son superiores a materiales más uniformes conocidos como suelos pobremente gradados. Los suelos uniformes (pobremente gradados) pueden ser superiores para drenes de pié que los suelos bien gradados, debido a su mayor capacidad de drenaje.

Suelos ampliamente gradados y suelos estrechamente gradados Para resolver la confusión se introducen términos más genéricos para analizar la forma de la curva de gradación. Las gradaciones que incluyen muchos tipos de suelo se denominan como suelos «ampliamente gradados». Las gradaciones que incluyen un solo tipo de suelo se les denominan como suelos estrechamente gradados. Los suelos estrechamente gradados son generalmente uniformes en su distribución y se puede utilizar el término de «suelo uniforme».

Estrechamente gradado

Uniformemente gradado

Pobremente gradado

Extensamente gradado

Ampliamente gradado

Bien gradado

Cuando se utiliza el sistema unificado de clasificación de suelos (SUCS), la distinción entre suelos bien gradados y pobremente gradados se realiza utilizando el coeficiente de uniformidad CU y el coeficiente de curvatura CZ.

Cu = D60 / D10 Cz = Cc = D302/(D60 * D10) Donde D60, D30 y D10 son los diámetros de partículas correspondientes al 60%, 30% y 10% de pasantes en la curva granulométrica acumulativa.

Otros términos para describir las gradaciones del suelo son: - Suelos disparmente gradados o suelos con gradación a saltos. En este tipo de gradación no aparecen suelos retenidos en un determinado rango de tamices. Estos suelos son internamente inestables y no deben utilizarse para filtros. En la siguiente gráfica se muestra una curva de un suelo disparmente gradado.

Protección contra la erosión superficial

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Los taludes de las presas deben tener protección contra la erosión producto de la lluvia, de la erosión por oleaje y de posible flujo por encima del dique. El talud aguas arriba debe protegerse generalmente utilizando enrocado o “rip-rap”. La roca utilizada para “rip-rap” debe ser dura, densa y durable para resistir la acción del oleaje y la meteorización por un largo período. El talud aguas abajo puede protegerse con vegetación o con enrocado.

TALUDES RECOMENDADOS

JAIME SUAREZ DIAZ

RIP RAP

JAIME SUAREZ DIAZ

RIP RAP sobre geotextil

JAIME SUAREZ DIAZ

Protección con suelo-cemento Una alternativa es la protección con suelocemento compactado.

Proteccion con vegetación

JAIME SUAREZ DIAZ

Protección con geotextiles y bitumen

JAIME SUAREZ DIAZ

El talud aguas arriba requiere de una mejor protección que el talud aguas abajo debido a la presencia de oleaje.

La sedimentación

Otras consideraciones importantes

 Clima y su efecto en la construccion  Posibilidades de desvio del rio durante la construccion  Utilizacion planeada del proyecto (sistema de llenado y desembalse)  Actividad sismica  Efectos ambientales