Rehabilitacion de la presa de El Embocador

Rehabilitación de la presa de El Embocador
M. Cabrera Alonso & J. Bonilla Bonilla
Confederación Hidrográfica del Tajo, Madrid, España
A. Granados García
ETSI Caminos, Canales y Puertos, Universidad Politécnica de Madrid, España
J.A. Pestaña Molinero
KELLER CIMENTACIONES S.L.U., Madrid, España
RESUMEN: La presa de El Embocador, situada en el río Tajo aguas arriba de Aranjuez, se construyó a principios del siglo XVI bajo el reinado de Carlos I. La estructura original consiste en un entramado de madera,
relleno de piedra, impermeabilizado con un tablestacado frontal y cimentado sobre pilotes. En su larga historia
ha sido objeto de varias reparaciones y adaptaciones (las últimas en el siglo pasado para su aprovechamiento
hidroeléctrico). La impermeabilización del paramento de aguas arriba estaba muy deteriorada por el paso del
tiempo y permitía la circulación de agua por el interior del cuerpo de presa, lo que había producido el levantamiento y rotura local del recubrimiento superficial.
El proceso de restauración efectuado ha consistido fundamentalmente en el sellado e impermeabilización del
paramento de aguas arriba y en el blindaje con una losa de hormigón armado del de aguas abajo. Tiene como
aspecto más innovador la ejecución de una pantalla continua tipo velo mediante técnica de superjet grouting.
La plataforma de trabajo necesaria para la construcción de la pantalla se ha ubicado sobre el propio cuerpo del
azud, lo que ha permitido trabajar con agua en el embalse, manteniendo la presa en servicio y simplificando
notoriamente el sistema de desvío del río.
ABSTRACT: El Embocador dam is located on Tajo River, upstream Aranjuez. It was constructed in the first
half of the 16th century, during the reign of Carlos I. The original dam structure consists on a timber framework, filled with rocks, piled, and waterproofed with sheetpiles. Along its long history, it has been object of
several updates and adaptations, the last ones at the beginning of the past century for its hydroelectric use. The
upstream waterproofing was broken in several points, thus water penetrates into the dam body causing internal
erosion and deterioration of the external protective shell.
Rehabilitation works that have been carried out consists on the construction of a frontal waterproofing screen
and the lining with reinforced concrete of the downstream face. The most innovative aspect is the execution of
the upstream cutoff wall with superjet grouting techniques. This wall has been done using the surface of the
dam as working platform and that has made possible: working with water in the reservoir, keeping the dam in
service and simplifying the river diversion.
1 INTRODUCCIÓN
La presa de El Embocador está situada en el río Tajo
aguas arriba de Aranjuez. La estructura original se
construyó entre 1530 y 1534, durante el reinado de
Carlos I, para la puesta en riego de la fértil vega
existente en la zona. Se trata de un azud de derivación de unos 5 m de altura y 158 m de longitud de
coronación, que permite elevar el nivel de las aguas
del Tajo para que puedan entrar a los canales de Las
Aves (en la margen izquierda) y la Azuda y el Caz
Chico (en la derecha).
La tipología y forma de construcción del cuerpo
original de la presa (al ser una estructura antigua ha
sido objeto de diversas modificaciones durante su
explotación) es la habitual de la época en este tipo de
azudes. Son estructuras de pequeña altura, en las que
el tamaño estaba limitado por las técnicas constructivas y condicionado por su uso, que era básicamente
elevar la lámina de agua en el río para derivar caudales, bien para el riego (como es el caso de la presa de
Figura 1. Sección tipo de la presa al comienzo de las obras.
El Embocador) o bien para el accionamiento hidráulico de molinos. El cuerpo de presa está constituido
por un entramado de traviesas de madera relleno de
escollera ripiada con gravas y pilotado en su base. La
impermeabilización del paramento de aguas arriba se
conseguía mediante una pantalla de tablestacas de
madera.
Desde su construcción la presa de El Embocador
se ha mantenido en explotación, por lo que ha sido
objeto de diversas intervenciones. Las más relevantes han consistido en la colocación de sucesivas capas de protección sobre el cuerpo de presa primigenio (fundamentalmente losas de hormigón o
mortero, y también parches realizados con hormigones asfálticos y/o mallas de alambre) y la construcción de sendas centrales hidroeléctricas a comienzos
del siglo XX, en los estribos derecho e izquierdo de
la presa, para el aprovechamiento del salto generado
por el azud.
Las obras de rehabilitación acometidas eran necesarias para proteger la presa del desgaste que se ha
producido con el paso del tiempo. Las tablestacas de
madera de la pantalla frontal de impermeabilización
estaban rotas, o desaparecidas, en muchos puntos por
los que se habían creado vías preferentes de entrada
de agua al cuerpo de presa, que terminaban (por la
acción combinada de la erosión interna y la externa
por el tránsito de caudales sobre el azud) levantando
y fracturando la losa de protección con que estaba
dotado (ejecutada con morteros y hormigones de escasa calidad). El crecimiento de vegetación en el paramento de aguas abajo suponía una dificultad adicional, al complicar los accesos y el mantenimiento
de la superficie del azud.
A la vista de la situación en la que se encontraba
el cuerpo de presa (en algunos puntos había comenzado a sifonar) y tratándose El Embocador de una
estructura que tiene una función importante (actualmente da servicio a los canales de Las Aves, la Azu-
da y Caz Chico, que sirven una superficie de riego
de unas 6.000 ha) y que debe ser preservada por el
interés histórico que atesora, la Confederación Hidrográfica del Tajo decidió acometer las obras de reparación y adecuación de la misma, las cuales fueron
llevadas a cabo por la empresa FCC Construcción.
Las actuaciones han consistido en la limpieza y
retirada de la vegetación del espaldón y vaso de la
presa, el picado y saneo de la capas de protección
existentes, la realización de una pantalla de impermeabilización en el paramento de aguas arriba, la
ejecución de una losa de hormigón armado de 0,30
m de espesor para blindaje del cuerpo de presa, la
protección del pie de presa con escollera gruesa y la
adecuación de los canales de la antigua central hidroeléctrica de margen derecha para su uso como
desagües de fondo. En esta comunicación se describen los trabajos realizados, resaltando los correspondientes a la pantalla de impermeabilización, tipo
velo, ejecutada con superjet grouting, que combinada con la solución adoptada para el desvío del río
permitió que se pudiesen ejecutar las obras manteniendo la presa en servicio durante la campaña de
riegos.
2 CARACTERÍSTICAS GEOLÓGICAS DE LA
CERRADA Y DEL VASO
La vega del Tajo, en el entorno de Aranjuez, se caracteriza por ser un valle de gran amplitud, cuyo
fondo está ocupado por materiales del Cuaternario
(acarreos, gravas y arenas) y las laderas constituidas
por materiales del Mioceno con la presencia de yesos, margas y arcillas, intercalados.
El azud de El Embocador se ubica sobre estos terrenos del Cuaternario. Se trata de una zona de morfología suave, cuyo rasgo distintivo es la presencia
Figura 2. Vista aérea de la presa al comienzo de las obras.
de terrazas aluviales de gravas y arenas. Son materiales con una capacidad portante limitada, pero suficiente para resistir una estructura de estas características: de pequeña altura, que no está sometida a
solicitudes importantes, ni transmite cargas significativas al terreno.
Aunque se trata de una presa antigua se contaba
con un conocimiento detallado de la geología de la
cerrada y del vaso del embalse. En 1973 la Confederación Hidrográfica del Tajo redactó un proyecto de
acondicionamiento en el que se estudiaron otras dos
soluciones alternativas, consistentes en la ejecución
de nuevas presas: una situada en el sitio de la existente y otra un poco aguas arriba, buscando una cerrada más estrecha. En dicho proyecto se realizó un
estudio geológico y geotécnico de la cerrada muy
completo, con sondeos, prospecciones eléctricas y
ensayos de los materiales existentes en la zona.
En la geología de la cerrada de la presa de El Embocador se distinguen tres capas de materiales, con
las características siguientes:
− La capa más somera está constituida por acarreos,
gravas, arenas y limos, que forman subcapas de
espesor variable y cierta continuidad. En superficie se encuentra tierra vegetal en las orillas, y se-
dimentos en el cauce y vaso del embalse, con espesores que varían entre 0,30 y 1,50 m; debajo
hay un estrato de limos de potencia irregular que
varía entre 0,50 y 6,50 m; y bajo los mismos un
depósito de gravas y arenas también de potencia
variable, que va de los 2 a los 10 m.
− Bajo los acarreos y depósitos modernos subyace
una capa de arcillas o margas, también del Cuaternario, formada por solifluxión de las margas
yesíferas del Mioceno que conforman los estribos
del valle del Tajo. Se trata de una formación reciente, con alta impermeabilidad (en torno a 10-6
cm/s), bajo contenido en sulfatos (por debajo del
1%, ya que la mayor parte de las sales habrían sido lavadas durante el proceso de formación) y poca capacidad portante (no alcanza los 5 MPa).
Tienen un espesor variable entre los 5,50 y los
8,50 m.
− Finalmente, en la base, encontramos el sustrato
del valle, formado por materiales similares a los
que aparecen en las laderas: yesos blancos mezclados con arcillas verdes grisáceas; que tiene una
cierta consistencia puesto que no está alterado,
pero que resulta de fácil disolución en el caso de
que se produzca circulación de agua por el mismo.
3 PROCESO CONSTRUCTIVO
La planificación y el proceso constructivo de las
obras estaban subordinados a la necesidad de mantener la presa en servicio y atender la campaña de riego de los canales, lo cual condicionaba indirectamente la solución técnica a adoptar para la ejecución
de la impermeabilización del paramento y cimiento
por aguas arriba.
La solución de ejecutar una pantalla frontal de
impermeabilización con tecnología superjet grouting, aprovechando la accesibilidad al cuerpo del
azud para utilizarlo como plataforma de trabajo, ha
permitido satisfacer los requisitos de servicio existentes y contar con interesantes ventajas en varios
aspectos del proceso constructivo, como la ejecución
de un desvío del río más simple y la reducción de los
daños potenciales que se podrían producir en el área
de trabajo en caso de desbordamiento por riada.
La ejecución de un blindaje frontal mediante un
muro de hormigón armado, ejecutado con medios
convencionales, hubiera obligado a dejar en seco el
pie de aguas arriba del azud (mediante un sistema de
ataguiado y de desvío del río de ejecución compleja).
Sin embargo la construcción de la pantalla desde
arriba solo precisa un vaciado parcial del vaso, lo
cual se ha hecho aprovechando los canales de toma
de la antigua central hidroeléctrica de margen derecha.
Las dos centrales existentes en la presa de El Em-
Figura 3. Sección tipo de la presa rehabilitada.
bocador estaban abandonadas, encontrándose en estado de ruina la situada en la orilla izquierda (junto a
la toma del canal de Las Aves), y habiendo sido derruida la de la derecha. De esta última se conservaban los canales de toma por los que se estableció el
desvío del río. Se trata de dos canales rectangulares
de 4 m de anchura y un calado de 3,10 m (desde la
solera, en la embocadura, hasta el labio del vertedero
del azud) con una capacidad de hasta 75 m3/s. En
uno de los canales se dispuso una compuerta de tablero de accionamiento manual, para tener un pequeño margen de regulación de cara a satisfacer lo
mejor posible los compromisos de riego y caudal
ecológico aguas abajo de la presa (que está establecido en 6 m3/s a su paso por Aranjuez).
Una vez desviadas las aguas del Tajo se habilitó
una pasarela de acceso a la parte superior del azud,
la cual se realizó colocando un puente metálico sobre los citados canales de desvío. Seguidamente comenzó la retirada de la vegetación que se había desarrollado sobre el paramento del azud, y una vez
efectuada la limpieza del mismo se extendió una capa de tierra compactada para nivelarlo y protegerlo
del tránsito de la maquinaría.
Otra de las ventajas fundamentales de la solución
adoptada es que se adapta mucho mejor que otras alternativas a la geología de la cerrada y vaso del embalse simplificando la ejecución y reduciendo los
plazos y daños potenciales a afrontar durante las
obras. La ejecución in situ de un muro frontal de impermeabilización exige, como se ha dicho, vaciar totalmente el embalse hasta dejar en seco el pie de
aguas arriba de la presa, lo que hubiera requerido
crear un recinto con ataguías que fuese prácticamente estanco. Ello, con la geología existente (con una
Figura 4. Vista aérea de la presa durante la construcción.
capa subhorizontal de gravas y arenas muy permeables), hubiera obligado a sellar previamente, mediante algún elemento impermeabilizante, todo el perímetro del recinto situado entre la ataguía y la presa,
y a contar a su vez con un significativo sistema de
achique en el mismo; y habría precisado un desvío
del río más potente, y de nueva ejecución en su totalidad, puesto que los daños que produciría en este
caso un desbordamiento por riada serían mucho más
graves.
La solución adoptada para impermeabilizar el paramento de aguas arriba aprovecha la forma de este
tipo de azudes, que cuentan con un paramento de
aguas abajo de gran anchura y poca pendiente; lo que
permite, con un pequeño relleno de tierras sobre el
mismo, habilitar la plataforma de trabajo de la maquinaria necesaria para ejecutar una pantalla tipo velo con tecnología superjet grouting. De esta forma no
fue necesario crear un recinto estanco por aguas arriba, ni rebajar el nivel de embalse hasta pie de presa,
ni potenciar el sistema de desvío del río. La pantalla
se empotró unos 2 m en el horizonte de margas subyacente a la capa de gravas y arenas, alcanzando una
profundidad media de unos 10,50 m (medida desde
el labio de la presa).
Las instalaciones para la ejecución de la pantalla
(silos de cemento, bomba y elementos de control de
la inyección) se instalaron en el estribo derecho de la
presa, de forma que solo fue preciso situar la máquina de perforación/inyección sobre el azud, con lo
que el riesgo que se asumía en caso de un posible
desbordamiento era muy bajo, puesto que la maquinaria, autopropulsada, podía retirarse en poco tiempo
del mismo.
La parte superior de la pantalla, en la que se acumula el material de resurgencia que viene desplazado desde abajo por la inyección, se descabezó (unos
2 m) hasta alcanzar la zona en la que el material era
más sano y homogéneo. La parte alta del paramento
de aguas arriba quedo constituida por un muro que
apoya sobre la pantalla de impermeabilización y le
da continuidad. Se trata de un muro convencional de
hormigón armado, de 0,60 m de espesor, rematado
con un acuerdo circular que conforma el umbral del
labio del vertedero de la presa. La ejecución de este
acuerdo se cuidó especialmente para que estuviera
perfectamente nivelado, puesto que el azud tiene una
longitud muy grande y vierte una lámina de agua
muy pequeña, siendo muy sensible a los defectos
que se pueden producir en el mismo.
Una vez ejecutado el paramento de aguas arriba se
efectuó el blindaje del resto del cuerpo del azud. Se
preparó la superficie del mismo, picándose y saneándose las zonas deterioradas, y se ejecutó una losa de hormigón armado de 0,30 m de espesor. El extremo de aguas abajo se remató con un acuerdo de
forma similar al existente al comienzo de las obras, y
todo el pie de presa se ha protegido con una capa de
escollera gruesa, formada por bloques de piedra caliza de al menos 1.000 kg de peso.
También, se adecuaron los canales utilizados para
el desvío del río como desagües de fondo, de los que
la presa carecía. Se restauraron los muros cajeros, se
regularizó la solera del canal hasta su salida al cauce,
y se colocaron compuertas de accionamiento motorizado: una compuerta de tablero en el canal izquierdo
y una de tablero y una Taintor en el derecho, que es
el que se empleará habitualmente para regular. Esta
presa, aunque cuenta con un volumen de embalse
muy pequeño, disponer de una pequeña capacidad de
regulación es importante, pues el caudal de paso del
Tajo por Aranjuez está fijado en un mínimo de 6
m3/s por ley. Este caudal se suelta desde los embalses de cabecera de la cuenca, pero en el tránsito, de
unos dos días de duración, se producen desajustes
que tienen que ser corregidos. Esta función de reajuste se podrá llevar a cabo en la presa de El Embocador gracias a los desagües de fondo con que ha
quedado dotada y a un innovador sistema de telemando (vía SAIH) que permite conocer los caudales
servidos a los canales de riego, los vertidos sobre el
azud y los evacuados por los desagües de fondo.
Finalmente, se acondicionó toda la zona del estribo derecho y el camino de acceso a la presa, quedando dos zonas diferenciadas: una en donde se ubican
las instalaciones (vallada y con acceso limitado al
personal de explotación) y otra acondicionada como
mirador de acceso libre al público.
4 CARACTERÍSTICAS DE
VELO DE SUPERJET
VELO DE SUPERJET GROUTING
Figura 5. Pantalla tipo velo ejecutada con superjet grouting.
7°
PANTALLA
El jet grouting es una técnica de mejora del suelo
que consiste en la inyección radial de un fluido a alta
velocidad (caudal de 50 a 150 l/min), provocando la
erosión y rotura del suelo y su sustitución y mezcla
por el material inyectado. Al ir elevando el varillaje
da lugar a columnas más o menos irregulares, de entre 0,6 y 2 m de diámetro, constituidas por el material inyectado que ocupa la zona central y una mez-
DETALLE UN MÓDULO DEL VELO
7°
LA
7°
7°
cla del mismo con parte del suelo existente en la periferia. El fluido empleado en la inyección es habitualmente lechada de cemento, por lo que las columnas formadas son (en función del suelo en el que se
efectúe el tratamiento) de un hormigón mal dosificado si se está tratando un aluvial, o un suelo cemento
en caso de materiales limosos o arcillosos.
El superjet grouting es una evolución de los sistemas de jet de doble fluido (inyección de lechada envuelta por un cono de aire comprimido) en la que se
utilizan herramientas de inyección más modernas y
potentes (bombas, varillaje, toberas, etc.) para contar
con una energía de inyección significativamente más
grande (caudales de 300 a 450 l/min). Lo cual unido
a que se emplean sistemas de monitorización del
proceso más avanzados, que posibilitan controlar
mejor la rotación del varillaje y la velocidad de extracción, permite la obtención de columnas de mucho mayor diámetro (entre 3 y 5 m) y la ejecución de
otras geometrías tipo paneles o velo.
En la presa de El Embocador se optó por este tipo
de inyección ya que ofrece un mayor control de la
ejecución, pudiendo ejecutarse pantallas tipo velo.
En este caso, en el que el tratamiento se realiza junto
a una obra histórica, esto era fundamental. La inyección tenía que ser por un lado agresiva, para que fuera efectiva, se trataran bien los materiales del cimiento y se creara una pantalla suficientemente
impermeable; y por otro lado debía ser muy cuidadosa con la estructura existente, que podía ser dañada
con facilidad. Las técnicas convencionales de jet, si
bien podían haber tratado el terreno adecuadamente
formando una pantalla de pilotes secantes, habrían
afectado al cuerpo de presa al introducir en el mismo
los fluidos, inyectados a muy alta presión, pudiendo
causar su desmoronamiento y el levantamiento de la
losa superior de protección.
La construcción de una pantalla tipo velo soslaya
estas dificultades. En el varillaje del superjet grouting se dispone de dos boquillas de inyección contrapuestas, por las que se introduce la lechada de
cemento y el aire a presión. En el proceso de ejecución el varillaje no rota completamente sino que solo
se mueve unos 15º alternativamente para un lado y
otro, por lo que en vez de obtenerse una columna resulta un panel más o menos plano (con forma de lazo). Esto ha permitido crear en la presa de El Embocador una pantalla frontal de impermeabilización sin
dañar el área frontal del azud, al realizarse la inyección en paralelo al eje de la presa y sin focalizarla en
ningún momento contra el mismo.
Para la definición de los parámetros de inyección
se realizaron tres columnas de prueba, dos en el estribo derecho y una en el izquierdo, determinándose
los valores óptimos de la inyección: la presión de in-
yección, el caudal de mezcla inyectada y el ritmo de
extracción de la lanza. En los módulos de prueba se
verificó el alcance y la potencia del flujo mediante la
excavación y examen de las columnas realizadas, así
como con la técnica de los tubos sounding, en los
que se comprueba hasta que punto la inyección es
capaz de limpiar las muestras de pintura que se disponen sobre los mismos.
Las características de la pantalla ejecutada en la
presa de El Embocador son las siguientes:
− Tipo: velo ejecutado con superjet grouting
− Ancho aproximado de los módulos: 3 m
− Distancia entre ejes de perforación: 2,15 m
− Diámetro de las toberas de inyección: 4,6 mm
− Densidad de la lechada: 1,4 ~ 1,5 t/m3
− Presión de inyección: 300 bar
− Caudal de la mezcla inyectada: 380 ~ 390 l/min
− Ritmo de extracción de la lanza: 5 min/m
− Ángulo de rotación: 15º (zigzag)
− Presión de aire: 8 ~ 10 bar
5 CONCLUSIONES
Dentro de los tipos de jet grouting, existentes en la
actualidad, el superjet puede conseguir un mayor alcance de tratamiento del terreno (diámetros de 3 a 5
m) al emplear maquinaría más potente e inyectar
caudales mucho mayores. A su vez, el superjet grouting cuenta con elementos de monitorización más sofisticados que permiten dirigir la inyección de forma
más precisa, por lo que puede utilizarse también en
operaciones delicadas (en las que haya que salvaguardar estructuras antiguas para que no resulten dañadas por la agresividad de la operación).
Esta técnica se ha empleado de forma satisfactoria
en la rehabilitación de la presa de El Embocador (estructura que data de principios del siglo XVI), en la
que era necesario cortar las filtraciones a través del
cuerpo de presa y el cimiento y a su vez era fundamental preservar íntegramente la fábrica original, de
interés histórico. Adyacente al paramento de aguas
arriba de la presa se ha ejecutado una pantalla de
impermeabilización tipo velo (inyección en abanico
de 15º) de 160 m de longitud y 10,50 m de profundidad, en el plazo de un mes. La rapidez de la ejecución, y la disposición de la plataforma de trabajo a
nivel del vertedero, ha permitido trabajar con agua
en el embalse, manteniendo el servicio y con un sistema de desvío del río muy simple.
El procedimiento empleado es una innovación
importante dentro del campo de rehabilitación de
presas, recomendable cuando se necesita construir
pantallas de sellado de estas características. Como
resumen general, las ventajas fundamentales de las
pantallas de superjet tipo velo, son su seguridad,
precisión y rapidez. Ello ha permitido que, en la
rehabilitación de esta presa, se consiga:
− Trabajar desde una plataforma superior fuera del
agua.
− Desvío del río más sencillo, más económico y con
pocos elementos en riesgo.
− Mantenimiento del embalse en servicio mientras
se ejecutaban las obras.
− Reducción del plazo de ejecución de las obras.
− Inyección por difusión de las oquedades del paramento frontal de la presa, sin dañar la estructura
de ésta.
REFERENCIAS
Díaz Marta, M. 1987. Los azudes del Tajo en Toledo y Aranjuez. Revista de Obras Públicas, nº 3255.
Essler R. & Yoshida H. 2004. Jet Grouting. Ground improvement (editado por M. P. Moseley & K. Kirsch). Spon Press.
Fernández Ordóñez J.A. et al. 1983. Catálogo de noventa presas y azudes españoles anteriores a 1900. Biblioteca
CEHOPU. Centro de Publicaciones del MOPU.
Rabasa Díaz L. et al. 1973. Proyecto de nueva presa de El Embocador. Confederación Hidrográfica del Tajo. Ministerio
de Obras Públicas.