red de flujo en secciones tipicas presas de tierra homogeneas

RED DE FLUJO EN SECCIONES TIPICAS PRESAS DE TIERRA HOMOGENEAS
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RED DE FLUJO EN SECCIONES TIPICAS PRESAS DE TIERRA
HOMOGENEAS
Ms. Sc. Ing. Jorge Briones Gutiérrez
[email protected]
“El análisis de filtración es el matrimonio entre La Mecánica de Suelos e
Hidráulica en medios porosos”.
I. PRINCIPIO DE LA FILTRACION
Ley de Darcy, aplicada a medios Porosos. El símbolo K representa el coeficiente de
permeabilidad.
Esta Ley se describe de la siguiente manera: el caudal unitario q que atraviesa un cuerpo
poroso de sección transversal A, es proporcional al Gradiente hidráulico i y un factor K que
expresa las características particulares del medio poroso.
q=KíA
II. ESTRUCTURA TIPICA
Presa Homogénea de Tierra, sobre cimentaciones permeables e impermeables.
III. OBJETIVO
Mostrar a los alumnos en formación Universitaria, el comportamiento del Nivel freático o
Línea Superior de Filtración y Red de Flujo, para diferentes tipos materiales en la cimentación y
cuerpo de Presa Homogénea. Como idea introductoria al cálculo de Filtración en Presas.
IV.SOFTWARE UTILIZADO
Para resolver los problemas de filtración de los esquemas simples que se muestran líneas
abajo, se ha utilizado el programa SEEP/W, que forma parte del paquete de programas del
GEOSTUDIO 2004.
Existen otros programas como el SLIDE, PLAXIS, etc., que también pueden ser utilizados.
IV.PROBLEMAS RESOLVER EN EL ANALISIS DE FILTRACIÓN
En todo proceso de análisis de filtración se deben resolver los principales problemas:
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Línea superior de filtración
Gradientes hidráulicos
Velocidad de Filtración
Caudal de filtración
Muchos ingenieros proyectistas de presa piensan en forma equivocada, que el cálculo de la
filtración se reduce simplemente a determinar los parámetros indicados anteriormente. Sin
embargo el hallazgo de éstos simplemente constituye la Primera Etapa de cálculo de la
Filtración.
La Segunda Etapa, consiste en verificar si la estructura y característica del suelo, es tal, que
pueda resistir a las fuerzas hidrodinámica que va a ejercer el flujo filtrante.
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PRESA HOMOGENEA SIN DRENAJE
A continuación con fines didácticos y para poder entender el comportamiento del nivel freático
en el proceso de filtración, idealmente se ha considerado una presa homogénea sin drenaje.
1) Presa Homogénea sobre cimentación impermeable KP = Kc
En este caso el Coeficiente de Permeabilidad del cuerpo de la presa Kp, es igual a la
permeabilidad de la cimentación Kc.
Por ejemplo esto se presenta con frecuencia en presas construidas por encima de los
4000 msnm de nuestro país, en donde la cimentación está constituida por material
morrénico, y de igual manera las canteras que se utilizan para la construcción del
cuerpo de la Presa.
Si a pesar del proceso de compactación y eliminación de las fracciones gruesas del
material de la cantera, no se logra los coeficientes de permeabilidad esperados, se
utilizarán mantas de geomembrana en el talud Aguas arriba de la presa.
A continuación se muestra la salida del programa de la Red de Flujo.
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Se muestran Líneas Equipotenciales y Líneas de Corriente
Nivel freático o Línea Superior de filtración sale sobre el talud Aguas abajo,
situación inadmisible y peligrosa origina erosión en el talud e inicio del fenómeno
de Tubificación, por lo tanto es necesario considerar un sistema de drenaje, que
abata el nivel freático.
 Caudal Unitario filtrante en la cimentación q= 4.7 x e-8 m3/seg/ml
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2) Presa Homogénea sobre cimentación Permeable KP << Kci
Para el siguiente ejemplo estamos considerando que la permeabilidad del cuerpo de la
Presa Kp, es mucho menor que la permeabilidad de la cimentación Kc.
COMENTARIOS
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Nivel freático o Línea Superior de filtración sale sobre el talud Aguas abajo, pero
con una ubicación más baja que el caso anterior. Salida del nivel freático en el
talud inadmisible, se necesita la construcción de un dren.
El descenso del nivel Freático se ve influenciado por la permeabilidad de la
Cimentación...
Líneas Equipotenciales tienen un comportamiento diferente en el cuerpo y
cimentación de la Presa.
Caudal Unitario filtrante en la cimentación permeable q= 4.3 x e-5 m3/seg/ml,
menor que en al caso anterior
Se necesita la construcción de un dren para no permitir la salida del nivel freático
sobre el Talud aguas abajo.
3) Presa Homogénea impermeable-Cimentación Permeable e Impermeable
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Nivel freático o Línea Superior de filtración sale sobre el Talud Aguas abajo, casi
similar al caso 2.
Necesita la construcción de un sistema de dren, para controlar la salida del nivel
freático.
4) Presa Homogénea- Cimentación Permeable- Dentellón colgante KP=KD<<
Kc.
COMENTARIOS
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Nivel freático o Línea Superior de filtración sale sobre el talud Aguas abajo, casi
similar que el caso 2 y 3, por lo tanto necesita la construcción de un dren, para
controlar la salida del nivel freático.
Obsérvese en el Diafragma se pierde 3 m de Carga (Equipotencial 29 menos
equipotencial 26).
Es importante tener cuidado en la zona entre el dentellón y la cimentación
impermeable, puede ocurrir un incremento de la Gradiente hidráulica.
5) Presa Homogénea- Cimentación Permeable- Dentellón hasta roca KP=KD<<
Kci
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Obsérvese que la Carga Hidráulica se pierde prácticamente en la zona de Contacto
Diafragma y la cimentación rocosa (equipotencial 33 menos equipotencial 21).
Nivel freático en el cuerpo de la presa cae bruscamente esta situación genera
Gradientes Hidráulicos altos que afectaría la material del cuerpo de la Presa y provocar
una erosión Interna
PRESA HOMOGENEA CON DRENAJE
6) Presa Homogénea sobre cimentación impermeable KP = Kci, Dren tipo
Chimenea.
A diferencia de los casos precedentes, a continuación presentaremos una presa con la
presencia de un sistema de drenaje, para observar su influencia sobre el
comportamiento de la red de flujo.
En este caso en la parte central de la presa se ha considerado una faja de dren
conformado por un material granular muy permeable, que se conecta a una faja
horizontal del mismo material, y de esta manera conducir hacia aguas abajo el caudal
filtrante capturado.
COMENTARIOS
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El dren Vertical tipo Chimenea captura el agua que filtra desde el Nivel Aguas arriba.
Obsérvese con atención el comportamiento de la Red de Flujo.
La zona a la derecha del dren chimenea se conserva seco y por lo tanto la Estabilidad
del talud aguas abajo se ve mejorado por la presencia de dicho dren.
En la zona inferior del Dren Chimenea e inicio del dren horizontal se puede observar
una concentración de Líneas equipotenciales y de corriente.
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7) Presa Homogénea sobre cimentación Permeable KP << Kci, Dren Chimenea.
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El dren Vertical tipo Chimenea captura el agua que filtra desde el Nivel Aguas arriba.
La zona a la derecha del cuerpo de la presa se conservará Seco.
En la zona inferior del Dren Chimenea e inicio del dren horizontal se puede observar
una concentración de Líneas equipotenciales y de corriente, que da origen a la
presencia de Gradientes Hidráulicos mayores
IV.RESULTADOS ESPERADOS DE ESTE ARTÍCULO.
A) El análisis de filtración en presas es un tema muy interesante en donde se tiene que
cumplir dos etapas:
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Determinar los parámetros de la filtración.
Analizar si el suelo está en la capacidad de resistir a las magnitudes del flujo
filtrante.
B) El análisis de filtración debe considerar las condiciones naturales del material de la
cimentación y de la misma manera el material del cuerpo de la presa en condiciones de
una compactación Proctor.
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