APUNTES DE PRESAS CURSO 2016-2017- 4º-INGENIERÍA CIVIL Profesor: José Carlos Sandoval Soriano. [email protected] Revisión nº3. Enero de 2017 Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS Rueda de Alcantarilla. Murcia. S. XIV Ya sé que mi tierra tiene pobre la traza…. Mi tierra morisca es pobre donde no hay agua … Mi tierra es tierra de moros, mi tierra es tierra africana…. mi tierra tiene el oasis donde hay agua … Hay que tener de mi tierra el alma pá apreciar en lo que vale el agua … Porque es la ilusión, la vida y la esperanza, para el hombre de mi tierra, el agua. “Los oasis de Murcia”. Vicente Medina. (Archena, Murcia, 1866-Rosario, Santa Fe, Argentina, 1937) Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 APUNTES DE PRESAS ÍNDICE 0. INTRODUCCIÓN .........................................................................................................................7 1. GENERALIDADES. TIPOS DE PRESAS ..................................................................................20 1.1. CONCEPTO ESENCIAL DE PRESA....................................................................................................... 20 1.2. EL CONCEPTO DE SEGURIDAD .......................................................................................................... 21 1.3. TIPOS DE PRESAS ................................................................................................................................ 27 2. FUERZAS ACTUANTES .............................................................................................................31 2.1. EMPUJE DEL AGUA ............................................................................................................................... 31 2.2. PESO PROPIO ....................................................................................................................................... 34 2.3. SUBPRESIÓN ......................................................................................................................................... 35 2.4. EFECTOS TÉRMICOS Y DE FRAGUADO ............................................................................................. 36 2.5. OTRAS SOLICITACIONES .................................................................................................................... 38 2.5.1. Terremotos. ................................................................................................................................... 38 2.5.2. Empuje de los sedimentos. ......................................................................................................... 42 2.5.3. Efecto del oleaje ........................................................................................................................... 43 2.5.4. Empuje del hielo........................................................................................................................... 44 2.5.5. Vibraciones resonantes en compuertas .................................................................................... 46 2.6. COMBINACIÓN DE SOLICITACIONES ............................................................................................... 46 2.7. COEFICIENTES DE SEGURIDAD ......................................................................................................... 47 3. SUBPRESIÓN.............................................................................................................................49 3.1. SECCIÓN TRANSVERSAL DE UNA PRESA DE GRAVEDAD .............................................................. 49 3.2. EVOLUCIÓN DE LAS IDEAS SOBRE LA SUBPRESIÓN ..................................................................... 52 3.3. POROSIDAD DEL HORMIGÓN ............................................................................................................ 53 3.4. RED DE CORRIENTE ............................................................................................................................ 55 3.5. CONTROL DE LA SUBPRESIÓN .......................................................................................................... 56 4. ESTABILIDAD AL VUELCO Y AL DESLIZAMIENTO .............................................................64 4.1. CONDICIONES GENERALES DE EQUILIBRIO ................................................................................... 64 4.1.1. Estabilidad vertical ....................................................................................................................... 64 4.1.2. Estabilidad al vuelco .................................................................................................................... 64 4.1.3. Estabilidad al deslizamiento ........................................................................................................ 65 4.2. FÓRMULA DE LA ESTABILIDAD AL DESLIZAMIENTO ..................................................................... 66 4.3. FORMAS DE MEJORAR LA ESTABILIDAD AL DESLIZAMIENTO ..................................................... 70 4.3.1. Cimentación en contrapendiente: Aumento de N y disminución de T ................................. 71 4.3.2. Influencia del talud aguas arriba ............................................................................................... 71 4.3.3. Control de la subpresión ............................................................................................................. 71 4.3.4. Aumento de S mediante el uso de rastrillos ............................................................................. 72 4.3.5. Tratamientos especiales .............................................................................................................. 72 Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 5. EXCAVACIONES Y CIMIENTOS ..............................................................................................73 5.1. INTRODUCCIÓN. .................................................................................................................................. 73 5.2. ESTADO TENSIONAL DEL TERRENO NATURAL. .............................................................................. 74 5.3. PROFUNDIDAD DE EXCAVACIÓN....................................................................................................... 75 5.4. CIMENTACIÓN EN PERFIL TRANSVERSAL DE LA PRESA ............................................................... 75 5.5. CIMENTACIONES EN ROCA FRACTURADA ....................................................................................... 77 5.6. FORMA DE DEJAR LA SUPERFICIE DE LA ROCA ............................................................................. 78 5.7. CIMENTACIÓN EN PERFIL LONGITUDINAL...................................................................................... 79 5.8. TÉCNICAS DE PRECORTE.................................................................................................................... 80 6. EL TERRENO ..............................................................................................................................82 6.1. ESTRIBOS Y CIMIENTOS DE LA PRESA ............................................................................................ 83 6.2. IMPERMEABILIDAD DEL EMBALSE Y DE LA CERRADA ................................................................... 86 6.3. ESTABILIDAD DEL VASO ..................................................................................................................... 89 6.4. ESTUDIOS GEOLÓGICOS .................................................................................................................... 90 6.5. ESTUDIOS GEOFÍSICOS ...................................................................................................................... 90 6.6. DATOS TOPOGRÁFICOS ...................................................................................................................... 92 7. PRESAS DE MATERIALES SUELTOS. DETALLES DE PROYECTO Y CONSTRUCCIÓN ....93 7.1. ELEMENTOS DEFINITORIOS DE LA TIPOLOGÍA ............................................................................. 93 7.2. PRESAS HOMOGÉNEAS ....................................................................................................................... 94 7.3. FILTROS ................................................................................................................................................. 98 7.4. PRESAS HETEROGÉNEAS CON NÚCLEO CENTRAL ......................................................................... 99 7.5. OBRAS DE TOMA Y DESAGÜE .......................................................................................................... 101 7.6. PANTALLAS DE HORMIGÓN.............................................................................................................. 102 7.7. PANTALLAS BITUMINOSAS ............................................................................................................... 102 8. ALIVIADEROS ......................................................................................................................... 104 8.1. CARACTERÍSTICAS GENERALES ...................................................................................................... 104 8.2. EVALUACIÓN DE LA CRECIDA MÁXIMA .......................................................................................... 104 8.3. MÉTODOS HISTÓRICOS .................................................................................................................... 105 8.4. APLICACIÓN DE LAS EVALUACIONES A UN ALIVIADERO CONCRETO ...................................... 106 8.5 PRESAS VERTEDERO........................................................................................................................... 107 8.6. ESQUEMA FUNCIONAL DE UNA PRESA VERTEDERO.................................................................... 111 8.7. PERFIL DEL VERTEDERO .................................................................................................................. 111 8.8. ALIVIADEROS DE LABIO FIJO .......................................................................................................... 112 8.9. ALIVIADEROS CON COMPUERTAS ................................................................................................... 119 8.10. ELECCIÓN DEL TIPO DE TOMA ...................................................................................................... 123 Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 8.11. INFLUENCIA DEL TIPO DE CONDUCCIÓN.................................................................................... 124 8.12. NORMAS PARA FIJAR LAS CARACTERÍSTICAS DE UN ALIVIADERO ........................................ 125 8.13. INFLUENCIA DEL TIPO Y NÚMERO DE COMPUERTAS ............................................................... 126 8.14. EFECTOS DE UNA SOBREELEVACIÓN DE NIVEL EN UNA PRESA ............................................. 127 Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 desagües profundos................................................................................................................... 128 funciones del desagüe de fondo. ............................................................................................................. 128 nivel mínimo del embalse. ........................................................................................................................ 128 vaciado del embalse. función de los desagües profundos. .................................................................. 129 función limpiadora del desagüe de fondo............................................................................................... 130 precauciones en el funcionamiento del desagüe DE FONDO............................................................... 130 evolución de la función del desagüe a lo largo del tiempo. ................................................................. 131 condiciones que exige la INSTRUCCIÓN. ............................................................................................... 131 CONSTITUCIÓN de un desagüe de fondo. ............................................................................................. 132 ventilación. .................................................................................................................................................. 132 desvío del río. .............................................................................................................................. 133 desvío total. DESCRIPCIÓN. ..................................................................................................................... 134 desvío total en presión. ........................................................................................................................ 134 desvío en lámina libre. .......................................................................................................................... 135 desvíos parciales. ....................................................................................................................................... 135 ataguías. ...................................................................................................................................................... 136 túneles de desvío. ...................................................................................................................................... 136 OPERACIÓN de desvío del río. ................................................................................................................. 137 cierre del desvío. ........................................................................................................................................ 138 OBSERVACIÓN de presas. ......................................................................................................... 140 COMPROBACIÓN INICIAL. ........................................................................................................................ 140 subpresión. .................................................................................................................................................. 140 OBSERVACIÓN de las FILTRACIONES. ................................................................................................... 141 OBSERVACIONES estructurales desde el interior. ................................................................................. 142 OBSERVACIONES estructurales desde el EXTERIOR. ........................................................................... 142 Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 APUNTES DE PRESAS 0. INTRODUCCIÓN La disponibilidad del agua ha sido desde épocas remotas uno de los condicionantes más fuertes para el establecimiento y posterior desarrollo de los asentamientos humanos. El necesario equilibrio entre las necesidades y las disponibilidades de agua depende de los condicionamientos relativos al entorno natural y a los de las actividades humanas desarrolladas. La búsqueda de este equilibrio ha requerido en cada circunstancia particular la adopción de soluciones de distinto tipo, entre las que siempre han destacado los azudes y las presas de embalse, sobre todo en aquellos países en los que el agua no es un bien abundante o si bien es abundante, es irregular en su presencia y en el espacio. Una de las primeras y principales actividades de la ingeniería civil es la construcción de presas. Todas las grandes civilizaciones se han caracterizado por la construcción de embalses de almacenamiento para suplir sus necesidades, en las primeras épocas para satisfacer las demandas de irrigación surgidas del desarrollo y expansión de la agricultura organizada. Al operar las condiciones de restricción impuestas por circunstancias locales, especialmente de clima y topografía, el poderío económico de las civilizaciones sucesivas estaba ligado a la experiencia y conocimientos en materia de ingeniería de recursos hidráulicos. La prosperidad, la salud y el progreso material se ligaron cada vez más a la habilidad de almacenar y conducir el agua. El propósito principal de una presa puede definirse como el de proveer retención y almacenamiento de agua de una manera segura. Si los efectos de la sedimentación o limitaciones similares, dependientes del tiempo en su utilidad operacional, no se toman en cuenta, no hay un período de diseño estructural nominal para las presas. Como corolario de este hecho, cualquier presa debe representar una solución de diseño específica para las circunstancias del lugar. Por tanto, el diseño debe representar un equilibrio óptimo entre las consideraciones técnicas locales y las económicas en el momento de la construcción. La historia de la construcción de presas se remonta en la antigüedad hasta las primeras civilizaciones del Medio Oriente y del Lejano Oriente. Innumerables pequeñas presas, invariables estructuras de rellenos simples, se construyeron para irrigación, por ejemplo en China, Japón, India y Sri Lanka. Algunas de estas primeras presas existen todavía. La presa de Kaffara (Sadd-el-Kaffara), construida en Egipto, aproximadamente en 2600 a.C, es la presa más antigua que se conoce. Fue construida en piedra, de 14 m de altura total. Consistía en una zona central rellena con material suelto, rodeada por espaldones de roca y con paramentos protegidos por mampostería ordinaria. Se le abrió una brecha, tal vez como consecuencia de una inundación que la desbordó, luego de un período de servicio relativamente corto. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Presa de Kaffara (Sadd-el-Kaffara). Vista del paramento de aguas arriba desde el cauce del wadi Garawi. Las primeras civilizaciones construyeron un buen número de otras presas importantes en el Medio Oriente, especialmente en Iraq, Irán y Arabia Saudita como la presa de materiales sueltos de Marib, construida en Yemen en 750 a. C. para prestar servicio a un proyecto mayor de irrigación, cuya altura total final era de 20 m. La riqueza agrícola del reino de Saba fue potenciada por la presa de Marib, una de las grandes obras de ingeniería de la antigüedad. Estuvo en funcionamiento durante más de mil años, y aún subsisten de ella impresionantes ruinas en el lugar. Otra de las presas construidas y la primera de mampostería de importancia, fue la presa Kesis Gölü (Norte) en Turquía de 10 m de altura que data de este mismo período. Ruinas de la gran presa de Marib (Yemen) Más tarde, los romanos contribuyeron de manera significativa en el Medio Oriente y en los países que bordean el Mediterráneo. Un buen número de sus presas continúa en servicio y probablemente en ellos recae el crédito de adaptar por primera vez el principio del arco a la construcción de presas. La presa de Vallon de Baume, realizada por los romanos cerca de Glanum (Francia), que tiene 12 m de altura y 18 de largo, fue terminada por los romanos en el siglo II d. C y es la primera presa en arco de que se tiene constancia. En España existen magníficas referencias de presas construidas por los romanos, algunas de ellas todavía en servicio. Se han dividido en dos grupos: presas principales y secundarias. De entre las primeras se encuentran las de Proserpina y Cornalvo (cerca de Mérida) y la de Alcantarilla (cerca de Toledo). Proserpina es un embalse situado a 4 km del centro urbano de Mérida, y forma un pequeño embalse en el arroyo de Las Pardillas, a través del río Aljucén. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 El buen estado del embalse fue debido a que, tras la caída del Imperio romano, cambió su función de abastecimiento de Augusta Emerita (mediante el acueducto romano Los Milagros) por otros fines, por lo que se continuó cuidando y modificando. Imágenes del acueducto romano de Los Milagros. Longitud=830 m. Altura máxima=25 metros. Cabe destacar que es el embalse artificial de la época romana más grande conocido en el mundo mediterráneo, con una capacidad de alrededor de 6 Hm³. Por su parte, la capacidad del embalse de Alcantarilla es de unos 3,5 Hm3. El embalse de Proserpina, así como el de Cornalvo, forman parte de la denominación Conjunto Arqueológico de Mérida, que fue declarado Patrimonio de la Humanidad en 1993 por la Unesco. Las longitudes totales en coronación son de unos 426 m en Proserpina y de unos 550 m en Alcantarilla. Las alturas máximas son también análogas, 18 m en Proserpina y 17 m en Alcantarilla, y responden a una misma idea de presa: un muro de fábrica ha de cortar como pantalla vertical el paso de las aguas, pero como no tiene capacidad, por su delgadez, para aguantar el empuje de las mismas retenidas hasta su coronación, se le ayuda en la labor resistente abrigándolo con un terraplén adosado aguas abajo, que colabora con él para resistir el empuje del agua a embalse lleno, pero que a su vez empuja contra él a embalse vacío, debiendo, en este caso, aguantar el muro por sí solo el empuje de las tierras. Esto da lugar a una alternativa pintoresca en las actividades de ambos elementos, pues si bien cuantitativamente el empuje del agua es bastante superior al de una altura igual de tierra seca seleccionada, no lo es tanto, si no se cumple esta última condición y sobre todo si la tierra está saturada de agua, procedente de lluvias directas o de filtraciones del embalse, condiciones además que pueden darse simultáneamente. Se trata pues de una presa mixta de tierra y fábrica, que podría transformarse en uno de los modelos actuales de "presa de tierra con pantalla impermeabilizante interna", añadiéndole un segundo terraplén del lado de aguas arriba. En el caso de las romanas, la pantalla sirve también de elemento de estanqueidad pero, con el sistema de juntas horizontales que va dando su construcción por hiladas sucesivas, pudiera resultar bastante defectuosa para dicha finalidad. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Imágenes de la presa de Proserpina. Detalle de vaso del embalse y paramento de aguas arriba con contrafuertes en su parte central. Imágenes de la presa de Proserpina. Detalles constructivos y vista del paramento de aguas arriba. La sección transversal de la pantalla es trapecial con paramento de aguas arriba vertical en Alcantarilla y de talud 1:10 en Proserpina, inclinándose ligeramente en ambas presas el paramento de aguas abajo. Los espesores de coronación son 3,75 m y 3,20 m. respectivamente. En Proserpina se dispone además escalonamientos aguas arriba en la zona de mayor altura y tiene nueve contrafuertes irregularmente espaciados sobresaliendo del mismo paramento. Las plantas se componen de varias alineaciones rectas que penetran hacia aguas arriba, dos en Alcantarilla y tres en Proserpina donde se miden bien ángulos de 160° y 175° pues están perfectamente delimitados, mientras que en la de Alcantarilla, como se ha destruido toda la zona central, pudiera haber tenido más de dos alineaciones. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 El sistema constructivo puede apreciarse muy bien en los trozos derribados de la presa de Alcantarilla donde tenemos un "sandwich" de hormigón (opus cementiciae) entre dos paramentos de mampostería (opus incertum) revestido además de sillería (oppus quadratum) el de aguas arriba. El espesor de las capas de mampostería es de 1,20 y el de revestimiento 0,50 metros, con hermosos sillares de una superficie media aparente de 1 x 0,50 m. Es curioso analizar las condiciones de rotura de la presa de Alcantarilla, cuyas ruinas muestran que se volcó hacia aguas arriba, lo cual indica que las condiciones de estabilidad fueron más desfavorables a embalse vacío que quizás se acentuaran por el deterioro producido en las juntas de construcción de la presa, por efecto de las filtraciones y haberse producido un desembalse rápido con el terraplén empapado de agua. El nombre de Proserpina que se ha dado a la presa y al embalse resulta totalmente arbitrario pues se tomó de la leyenda correspondiente a una lápida encontrada en las cercanías, invocando a dicha divinidad por un motivo que no tiene nada que ver con la obra. Durante la Edad Media, los árabes le dieron la denominación común de "La Albuhera" que corresponde a pantano, y, en algunos documentos, aparece como la Albuhera de Carija, por la proximidad a la Sierra de este nombre. Imágenes de la presa de Alcantarilla. Mazarambroz. Toledo También la presa de Alcantarilla tiene nombre árabe, debiendo estar ya arruinada cuando la invasión musulmana, pues la relacionaron con el diminutivo de puente, interpretando mal el paso de las aguas por entre las ruinas. También denominan la zona por "Los Paredones", a causa de las dos zonas laterales de pantalla de la presa que están todavía enhiestas. Presa de Alcantarilla. Detalle de paramentos de aguas abajo (trasdós o seco) y de aguas arriba con sillería (intradós o mojado) Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Además de las presas tenemos en ambos embalses las torres de toma de agua, para administrar la que se almacenaba, soltando a las conducciones la que correspondía en cada situación. De lo que no queda rastro es de las obras de desagüe para protección automática contra el vertido por coronación. Pudiera ser que fuera normal dar salida a las avenidas por los costados, pues en la Alcantarilla parece que se interrumpen los paredones de ambos lados con 3 m. de altura; también parece que se interrumpe el muro de la extremidad izquierda de Proserpina con altura análoga, aunque bien pudieran ser estas interrupciones, deterioros del muro al quedar sin la protección del terraplén, erosionado en las zonas extremas. También podría servir como desagüe de fondo el dispositivo de toma, aliviando así el nivel del embalse. Presa de Alcantarilla. Paramentos de aguas arriba (intradós o mojado). Detalle de la sillería formando el oppus quadratum romano. El terraplén de acompañamiento tiene un ancho en coronación de 1,4 metros y talud de 3:1 aproximadamente. Los restos de la pantalla nos dan con todo detalle las características de las fábricas interiores y la técnica constructiva típicamente romana de fábrica compuesta, que es la de un "sandwich" de hormigón entre dos paramentos de mampostería que se iban subiendo por hiladas horizontales para verter en su interior el hormigón, que se fabricaba en dos etapas: en la primera se rellenaba el hueco con piedra partida (caementa), para, en la segunda, añadir un mortero compuesto de arena con el conglomerante (puzolana –cenizas volcánicas-) y agua, que rellenaba los huecos entre las piedras. En el caso de esta presa se revestía además la mampostería en contacto con el agua mediante sillares de buen tamaño (media: 1 x 0,50 m.) muy bien aparejados a soga con alternancias de las juntas verticales y las horizontales, corridas en todo el frente. En el Lejano Oriente, la construcción de presas de importancia se remonta a 380 a. C. Las actividades se centraron, al principio, en Sri Lanka, donde un período trascendente de construcción de presas comenzó con la presa de relleno de Bassawak de 10 m de altura y culminó con las presas de relleno en Giritale y Kantalai (de 23 m y 20 m de altura, respectivamente) en el año 610 d.C. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Los japoneses e indios acometieron la construcción de presas mayores en 750 d.C. e hicieron contribuciones sobresalientes en los primeros desarrollos de presas de suelos. En el período posterior a 1000 d. C., se propagó la actividad de construcción de presas, con un crecimiento rápido en la altura de las presas y en la audacia de sus concepciones. Particularmente notoria fue la construcción de un conjunto de presas de gravedad de mampostería en Irán, y la extraordinaria presa Sultan Mahmud de 31 m en Afganistán que data también de esta época. En los años posteriores comenzó en forma “más seria” la construcción de presas en muchas partes de Europa, como, por ejemplo, la presa de materiales sueltos de 6 m de altura en Alresford, Gran Bretaña, y la de 10 m de altura en Mittlerer Pfauen, Alemania (1298) y en Dvoriste, Checoslovaquia (1367). La construcción de presas en mampostería en España en el siglo XVI avanzó considerablemente. La magnífica presa arco-gravedad de Tibi de 43 metros de altura, en el municipio del mismo nombre, en la provincia de Alicante, se concluyó en 1594, en época de Felipe II. Está considerada la primera presa arco-gravedad del mundo y fue la presa más grande del mundo durante 200 años, antes de que las construcciones del siglo XVIII sobrepasaran su altura de coronación. Presa de Tibi. Alicante. Río Monnegre Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS Presa de Tibi. Alicante. Río Monnegre Presa de Tibi. Alicante. Río Monnegre Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 La presa de Tibi es una de las más antiguas de Europa, pues comenzaron las obras en 1580 dirigidas por Juan Bautista Antonelli, en el cauce del río Verde o Monnegre. Aunque sufrió una importante rotura en 1697, entró de nuevo en servicio en 1738. Ha sido declarada Bien de Interés Cultural con la categoría de Monumento por la Dirección General de Patrimonio Cultural de la Comunidad Valenciana. Se sitúa sobre una superficie de 50 hectáreas y tiene una capacidad máxima de 2 hm³. Esta presa de gravedad tiene una altura de 46 m y una longitud en coronación de 65 m. Seguidamente se adjuntan unas fotografías y un recorte de prensa relacionado con esta presa, que da una idea del “estado de conservación” de la misma. Presa de Tibi. Alicante. Río Monnegre Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 La presa de Elche, con 23 m de altura y 120 m de longitud, fue construida en 1640 sobre el río Vinalopó, con una cuenca vertiente compleja y variable a lo largo de los siglos. El cuerpo principal de la presa consta de dos tramos curvos en planta, el mayor de ellos con 63 m de radio, 70 de desarrollo y una sección transversal de 23 m de altura por un ancho variable entre 12 en la base y 9 en coronación. Esta bóveda apoya en su parte baja directamente en roca en la ladera por su margen izquierda, y en un promontorio rocoso de la cerrada; y en un contrafuerte hacia aguas abajo, sobre el promontorio, por su parte superior. Los metros superiores de la margen izquierda se cierran por un muro recto hacia aguas arriba, con dirección aproximadamente radial en planta. La otra bóveda, mucho más corta, cierra desde el contrafuerte directamente hasta la roca de la margen derecha. Vista del muro de la Presa de Elche. Río Vinalopó Debido a la expansión rápida del Imperio español, su experiencia en construcción de presas se exportó a América Central y del Sur. Como un caso representativo de su amplitud de visión y su habilidad para planear y movilizar recursos, la actividad de minería de metales centralizada en Potosí (Bolivia) era abastecida por un grupo de 32 embalses, a mediados del siglo XVII. Durante el período de 1700 a 1800 la ciencia de la construcción de presas avanzó en forma más o menos lenta. Los albores de la primera Revolución Industrial dieron un ímpetu considerable a la construcción de presas de material suelto en Gran Bretaña y Europa occidental en el período iniciado hacia 1780. Se continuó con el diseño basado en la combinación de reglas empíricas y experiencia probada. A pesar de la ausencia de métodos racionales de diseño, las presas se incrementaron permanentemente en tamaño. Por ejemplo, la presa de material suelto en Entwistle, culminada en Inglaterra en 1838, fue la primera de su tipo en exceder 30 m de altura. De esta época data la conocida como presa de Puentes II, en Lorca, Murcia, en la confluencia de los ríos Vélez y Luchena que a partir de su unión reciben el común nombre de Guadalentín, o “río de lodo”, en su significado árabe. El estrecho de Puentes, situado a poco más de diez kilómetros de la población de Lorca, se consideró desde siempre un lugar idóneo para levantar una presa y así se construyó, a mediados de siglo XVII, la primera presa de Puentes y, aunque la cerrada era buena no lo era sin embargo el terreno sobre el que se cimentó, pues estaba constituido por una gruesa capa de acarreos muy permeables. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Las obras de esta presa de Puentes I se iniciaron en diciembre de 1647, pero, ya en el verano siguiente (1648) una avenida inesperada puso fin al intento. Por su parte, el 2 de octubre de 1884 comenzó la explotación del pantano de Puentes III, es decir, de la tercera presa, (hoy existe una cuarta, aguas arriba de ésta). Es decir, tuvieron que pasar 80 años para que ésta se reconstruyese, después de haber reventado por sifonamiento la de Puentes II el 30 de abril de 1802. Sólo unos meses antes, el 10 de marzo, se abrieron por primera vez las compuertas de Puentes III para dar un riego gratuito. Posteriormente, en mayo, tiene lugar la riada de la Ascensión, en la que la presa de Puentes III, todavía en construcción, vierte por primera vez por coronación. Hasta que se llegó a este punto, hubo muchos intentos, pero el miedo y la preocupación a que se repitiese la historia, frenó los proyectos de reconstrucción o de creación de una nueva presa. Finalmente, el día 5 de septiembre de 1881, tres años antes de su inauguración, se ponía la primera piedra de las obras de la citada Puentes III. Vista de la rotura de la Presa de Puentes II, tomada hacia 1850. La tragedia de Puentes II había servido para la creación de la Escuela de Ingenieros de Caminos que fue fundada por Betancourt en septiembre de 1802, sólo cinco meses después de la rotura de esta presa. Si bien es cierto que la presa de Puentes II no fue el único fracaso técnico presista que indujera a Betancourt a la creación de un cuerpo técnico especializado pues, con anterioridad, en mayo de 1799 se desmoronaba también la presa del Gasco, perteneciente al utópico Canal del Guadarrama, cuando se llevaban construidos 57 metros de los 93 proyectados. No obstante, como en abril sifonó Puentes II y sólo cinco meses después se abrió la Escuela, siendo además contrastada la presencia de Betancourt en Lorca como consecuencia de la rotura, es lógico pensar que los defectos de cimentación vistos en la presa serían explicados, para evitarlos en un futuro, en la recién nacida Escuela. Así, con ella, se pretendía llenar ese vacío técnico. Desde la rotura del pantano, toda una legión de ingenieros desfiló por la Ciudad, auspiciados por el entonces Rey Carlos IV, ya que la construcción de la presa de Puentes había sido una obra encargada por el monarca. El motivo por el que se produjo la rotura de la Presa de Puentes II fue el sifonamiento producido por el defectuoso sistema de cimentación. En ningún caso era apropiado el pilotaje, teniendo en cuenta su altura y el material, completamente permeable, atravesado por los pilotes. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Agustín de Betancourt, inspector general de Caminos y Canales, fue uno de tantos que revisó la cimentación de la presa. En uno de sus informes achacó la ruina del pantano a «la falta de instrucción del director» de las obras, Gerónimo Martínez de Lara. También dijo que «nada hubiera causado la rotura el pantano si no se hubiera fundado sobre un terreno arenoso» Betancourt también habló de la reconstrucción en otro de sus informes: «de ningún modo se debe pensar en aprovechar la parte de murallón que ha quedado, porque nunca podría juntarse bien la obra que se hiciese con la antigua». Años después, y en el libro “Las presas del estrecho de Puentes” de José Bautista Martín y Julio Muñoz Bravo, se asegura que «sólo los cimientos fueron la causa de la ruina, que la obra por lo demás tenía condiciones aceptables, y que sólo por ciertas grietas de la roca de las márgenes, se presentaban algunas filtraciones a las que no se daba ninguna importancia». Los informes fueron solicitados a petición del Rey Carlos IV en su preocupación por las víctimas que habían perecido en la tragedia. 608 personas perdieron la vida, además de los daños que fueron ocasionados. A partir de ese momento, se llevaron a cabo cuantiosas suscripciones caritativas con el fin de atender al socorro de las necesidades originadas por la imprevista calamidad. Se pedía ayuda para la población de Lorca, la más castigada, pero también para los daños ocasionados en los campos de Totana, Alhama, Librilla y Sangonera. También para Alcantarilla, Nonduermas y Murcia. Las limosnas eran depositadas a los respectivos curas, párrocos, ecónomos, vicarios o tenientes, que las pasaban a los obispos de las Diócesis. Aunque en los capítulos que siguen se explicará con más detalle, seguidamente se hace una breve explicación del porqué de la rotura de Puentes II por sifonamiento: Según la conocida ecuación de Darcy, la velocidad con la que el agua se filtra por un terreno es directamente proporcional a su permeabilidad y al gradiente hidráulico (V=Ki). Así, cuanto más permeable sea el terreno sobre el que se construye una presa y cuanto mayor sea el gradiente hidráulico que cree su construcción, es decir, cuanto mayor sea la altura de la presa, mayor será la posibilidad de que el agua al filtrarse por ella adquiera la velocidad suficiente para producir erosión. Inicialmente arrastrará el material más fino, aumentando el tamaño de los huecos, y, por lo tanto, la permeabilidad. Esto trae consigo un aumento de la velocidad y, por consiguiente, su poder erosivo. Así, cada vez van siendo arrastrados elementos más gruesos, llegando a quedar descalzada la presa, produciéndose su rotura total o formándose un boquete en superior a modo de puente, si los estribos estaban cimentados en terreno más impermeable. Los modos de actuación para impedir el sifonamiento cuando se proyecte una presa sobre un terreno permeable son, por tanto, disminuir la permeabilidad y/o disminuir el gradiente hidráulico. Para ambos, habrá que realizar pantallas de inyecciones, rastrillos de material impermeable, etc, de forma que atraviesen totalmente la capa permeable, si no es de mucho espesor, o que alarguen el recorrido del agua lo suficiente para reducir su gradiente a valores no peligrosos. En el caso concreto de Puentes II, hay que decir que se derrumbó tras once años de servicio. Era de mampostería y tenía 50 metros de altura. Tenía planta quebrada con tres alineaciones y convexa hacia arriba. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Los estribos estaban cimentados sobre roca, mientras su parte central, mucho más profunda, se apoyó sobre pilotes de 6,70 m de hinca, que atravesaban una capa aluvial. El pilotaje se prolongó 40 metros aguas abajo de la presa, tal y como se puede ver en el esquema siguiente: En los primeros once años, el embalse no se llenó, alcanzando el agua una altura máxima de 30 metros. En la primavera de 1802, fuertes lluvias determinaron un rápido ascenso del nivel del agua hasta 46,80 m sobre el cauce. Al aumentar el gradiente hidráulico, crecieron las filtraciones a través del terreno aluvial, con arrastre de gran cantidad de materiales, seguido de explosiones que destruyeron el pilotaje y en la parte central de la presa se produjo un gran boquete por el que se vació el embalse en poco más de una hora, provocando las tremendas pérdidas humanas en Lorca antes referidas. Siguiendo con la reseña histórica, en el siglo XIX, los ingenieros británicos avanzaron y desarrollaron el diseño y construcción de presas de suelos con muchísimo éxito. Entre los proyectos sobresalientes en el Reino Unido está una serie de siete presas en Longdendale, construidas entre 1854 y 1877, y muchas grandes estructuras similares en la India y otros lugares en todo el mundo. Con respecto a los estudios realizados para la construcción de presas, se puede decir que los análisis racionales para presas en mampostería se desarrollaron y refinaron en varios países, en especial en Francia, Gran Bretaña y Estados Unidos, desde aproximadamente 1865. El diseño de presas de material suelto continuó siendo muy empírico por un tiempo más largo. Los avances en la construcción de terraplenes contaron con la aparición de la teoría moderna de la mecánica de los suelos en el período posterior a 1930. Los progresos subsiguientes han sido de relativa rapidez y los mayores avances han sido consecuencia de los adelantos en el entendimiento del comportamiento de los enrocados y de los rellenos de suelos y de la introducción de equipos modernos de gran capacidad para el movimiento de suelos. En el mismo período, en parte como consecuencia de grandes desastres, se estableció la importancia vital que para la ingeniería de presas tenían las disciplinas interrelacionadas de mecánica de suelos, mecánica de rocas e ingeniería geológica. Las técnicas numéricas también han progresado con celeridad en los años recientes, específicamente por el desarrollo del refinado y potente método de los elementos finitos (MEF), y el método de diferencia finitas (MDF), que actualmente se utilizan en los análisis más avanzados de todo tipo de presas. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 1. GENERALIDADES. TIPOS DE PRESAS El proyecto y la construcción de una presa presentan problemas especiales que requieren gran conocimiento de varias ciencias y técnicas: elasticidad, geología, cimientos, hidráulica, propiedades y tratamiento de materiales, etc. Es una de las obras que más satisfacciones técnicas puede dar y requiere, quizá como ninguna otra, la colaboración de varios especialistas y un trabajo de equipo. Social y económicamente, las presas son de las construcciones que más beneficios dan, y de ahí su valor político. Y es porque el regular el agua, el darla cuando falta mientras se contiene cuando sobra y puede dañar, es un bien inmenso del que se derivan varios otros: riegos, energía, protección de campos y ciudades, abastecimientos de aguas, etc. Aparte de los anteriores, en los últimos tiempos se ha venido constatando que el cambio climático es un hecho irrefutable y con impactos que ya son considerables. El cambio climático, en buena parte, es un problema ligado al desarrollo, asociado a nuestro modelo de crecimiento basado en la quema de combustibles fósiles y patrones de consumo y producción poco eficientes desde un punto de vista energético. Desde el punto de vista de las presas, dos son las consecuencias destacables del cambio climático. Por un lado, una mayor irregularidad en las precipitaciones, con una mayor incidencia de períodos de sequía y, paralelamente, de mayores inundaciones, lo que se traduce en la necesidad de gestionar de manera eficiente los recursos hídricos. Por lo tanto, es indudable que las presas pueden desarrollar un papel positivo, fundamentalmente en cuanto se refiere a las políticas energéticas, ya que la energía hidroeléctrica es una energía limpia y renovable y, por otro, los embalses pueden contribuir a compensar los desequilibrios futuros constituyendo depósitos de almacenaje en las regiones de precipitación disminuida o dispositivos de control allí donde se produzca el incremento de la precipitación, dado que la protección de vidas y bienes sólo puede conseguirse laminando esos caudales extremos mediante la existencia de presas. 1.1. CONCEPTO ESENCIAL DE PRESA Una presa es una construcción que tiene por objeto contener el agua de un cauce natural con dos fines, alternativos o simultáneos, según los casos: - Elevar su nivel para que pueda derivarse por una conducción (creación de altura). - Formar un depósito que, al retener los excedentes, permita suministrar el líquido en los momentos de escasez (creación de embalse). En general, en cuanto una presa tiene una cierta altura, existe un efecto de embalse, que suele ser predominante. De esto resulta que la función mecánica esencial de una presa es elevar el nivel natural del río. De ahí se deduce que la sobrecarga fundamental de la estructura será el empuje del agua, y este empuje determina su concepto resistente. Junto con ese objetivo esencial, hay que cumplir otro secundario y accidental que, a pesar de ello, es importantísimo y condiciona el concepto estructural. Esa necesidad funcional es la evacuación del agua sobrante. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Los ríos son tan variables que no podemos prever sus caudales con absoluta seguridad; y por grande que sea un embalse, no podemos estar seguros de que no se presente una crecida excepcional que rebase su capacidad almacenadora. La evacuación de los caudales excedentes es, pues, inevitable, pero presenta, además, una característica: como los sobrantes no se presentan repartidos en un largo período sino por efecto de avenidas de duración relativamente corta (días u horas), con caudales muy grandes, la evacuación de éstos plantea problemas. Los órganos destinados a la evacuación de caudales sobrantes se llaman aliviaderos y pueden ser de varios tipos, según su situación: - Aliviaderos de superficie. - Aliviaderos de medio fondo o intermedios. - Desagües de fondo. Los primeros suelen ser los aliviaderos propiamente dichos en cuanto a avenidas. Los desagües de fondo rara vez sirven para aliviar avenidas, pero son fundamentales para permitir descender el nivel del embalse por debajo de las tomas de agua para su revisión; o para bajar rápidamente ese nivel cuando hay algún defecto, consiguiendo una importante disminución del empuje hidrostático, ya que éste varía con el cuadrado de la altura. Los caudales a evacuar suelen ser moderados en los desagües de fondo (del orden de 3 veces el medio), bastante mayores en los de medio fondo (hasta 50 veces el medio). En una gran parte de las presas, el tipo de estructura resistente viene condicionado e incluso determinado por el aliviadero. Es esta dualidad funcional, la positiva de retención y la negativa de evacuación, y su correlativa traducción técnica, la que da a las presas su personalidad esencial y singular. Una presa, es una estructura hidráulica, y este calificativo es esencial y da a la técnica presística un sello especialísimo que constituye el distintivo de esta técnica. 1.2. EL CONCEPTO DE SEGURIDAD Las presas son de las construcciones más seguras, lo que no impide que, a veces, se den accidentes e incluso catástrofes. Por ello, es forzoso extremar la garantía de su seguridad. La responsabilidad del que proyecta, construye o explota una presa es, por ello, más señalada que la normal en otras estructuras. Esta especial responsabilidad ha llevado a varios países a promulgar unas normas oficiales para esta técnica. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 En España existe la llamada “Instrucción para el Proyecto, Construcción y Explotación de Grandes Presas” de 31 de marzo de 1967, vigente en la actualidad. (Ver Apéndice nº1). Existen multitud de términos y acepciones utilizadas dentro del contexto de la seguridad de las presas. Suele entenderse por seguridad de una presa al “margen que separa las condiciones reales que existen en la presa de las que llevan a su rotura”. La forma más fácil de definir ese margen, en ingeniería, es el establecimiento de un número (coeficiente de seguridad) para el análisis de cada uno de los métodos potenciales de fallo (o escenarios). Este planteamiento, quizás excesivamente simplista es el que se realiza en la Instrucción de 1967. En ingeniería, el concepto de coeficiente de seguridad va fundamentalmente asociado al cociente entre “resistencias” y “acciones”, ya sea desde el punto de vista de los esfuerzos o las tensiones asociadas. Aunque todavía suele restringirse al análisis de los estados últimos de servicio, poco a poco va incorporándose también un análisis deformacional. Por otra parte, el tiempo es un aspecto que suele olvidarse frecuentemente. Estas “resistencias” y “acciones” (sobre todo las primeras) no son constantes en el tiempo. Usualmente se indica que los márgenes de seguridad habituales en ingeniería permiten afirmar que una infraestructura alcanzará el final de la vida útil para la que ha sido proyectada. Pero esta afirmación parece bastante difusa (y poco creíble) cuando se aplica al ámbito de las presas, que son infraestructuras que teóricamente deben tener una “vida útil” de varios siglos. La Instrucción de 1967 es obligatoria para todas las Grandes Presas: aquéllas de más de 15 m de altura o las presas de entre 10 y 15 metros de altura que tengan una capacidad de embalse igual o superior a 100.000 m3, o aquéllas cuyas especiales características de cimentación o cualquier otra circunstancia que permita calificar la obra como importante para la seguridad o economía pública requieran un particular cuidado. El ingeniero (de proyecto, obra o explotación), debe seguir sus prescripciones que son sólo normativas y presuponen el conocimiento de la técnica. En casos excepcionales puede proponer razonadamente soluciones contrarias a la Instrucción, pero requieren en ese caso aprobación oficial especial y dan al ingeniero proponente una mayor responsabilidad. La Instrucción para el Proyecto, Construcción y Explotación de Grandes Presas de 1967 es un conjunto de criterios fundamentalmente técnicos que, debido a la rápida evolución de la tecnología de presas, pronto se vio que necesitarían ser revisados. En 1982 se produce la rotura de la presa de Tous y desde la Dirección General de Obras Hidráulicas se decide impulsar la modificación de la Instrucción. Se organiza, para ello, una serie de coloquios entre técnicos, dirigidos por la Comisión Permanente de Normas para Grandes Presas. La dificultad de llegar a un consenso suficiente dificultó la redacción por dicha Comisión Permanente de una propuesta de norma de seguridad aceptable para presentarla a la Dirección General de Obras Hidráulicas. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Vista de la rotura de la Presa de Tous. Año 1982 En julio de 1993, finalmente, dicha Comisión presentó a la Dirección General de Obras Hidráulicas de Norma sobre Seguridad de Presas y Embalses que, después de diversas correcciones, se aprobó por O.M. de 12 de marzo de 1996 como el "Reglamento Técnico sobre Seguridad de Presas y Embalses". (Ver Apéndice nº2). Anteriormente, en 1995, ya se había aprobado la Directriz Básica de Planificación de Protección Civil ante el riesgo de inundaciones, donde se desarrollan los criterios para la clasificación de presas, los criterios de seguridad para prevenir social y ambientalmente los riesgos y los daños potenciales que las presas podrían ocasionar y el contenido mínimo de los planes de emergencia de presas clasificadas. El nuevo Reglamento de 1996 supone un cambio total de filosofía respecto a la Instrucción (vigente, no se olvide) de 1967. Además de tener un carácter abierto y no incluir preceptos técnicos de detalle, sino criterios organizativos y de control de la seguridad, incluye los nuevos conceptos existentes actualmente en el mundo en materia de seguridad de presas. Así, en lugar de exigir los mismos requisitos de seguridad para todas las presas, como prescribe la Instrucción, el criterio esencial de seguridad consiste en considerar los daños potenciales que produciría la presa en caso de rotura, clasificar las presas según este criterio en distintas categorías de riesgo (A, B, ó C, teniendo en cuenta la afección a núcleos urbanos o servicios esenciales, los daños humanos, materiales y medioambientales) y aplicarles criterios de seguridad más o menos exigentes según dicha clasificación. La clasificación de presas en función del riesgo potencial se perfila, por tanto, como un instrumento básico para la gestión y mejora de la seguridad de presas, que constituye el punto de arranque del nuevo planteamiento que en esa materia se desarrolla en el Reglamento Técnico. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 En función del riesgo potencial que pueda derivarse de la posible rotura o funcionamiento incorrecto, las presas se clasifican en: Categoría A: presas cuya rotura o funcionamiento incorrecto puede afectar gravemente a núcleos urbanos o servicios esenciales, así como producir daños materiales o medioambientales muy importantes. Categoría B: presas cuya rotura o funcionamiento incorrecto pueden ocasionar daños materiales o medioambientales importantes, o afectar a un reducido número de viviendas. Categoría C: presas cuya rotura o funcionamiento incorrecto puede producir daños materiales de moderada importancia y sólo incidentalmente pérdida de vidas humanas. Como consecuencia del planteamiento anterior, se ha redactado la Guía Técnica para Clasificación de Presas (ver Apéndice nº3) en función del riesgo potencial que se presenta, que sirve para facilitar la aplicación tanto de la Directriz Básica de Planificación de Protección Civil ante el riesgo de inundaciones como del Reglamento Técnico sobre Seguridad de presas y embalses. Por otra parte, el Reglamento modifica los criterios para la clasificación de Gran Presa. Así, tendrán esta consideración aquéllas que cumplan, al menos, alguna de las siguientes características: Altura superior a 15 metros, medida desde la parte más baja de la superficie general de cimentación hasta la coronación Altura comprendida entre 10 y 15 metros, siempre que tengan alguna de las siguientes características: o Longitud de coronación superior a 500 metros. o Capacidad de embalse superior a 1.000.000 m3. o Capacidad de desagüe superior a 2.000 m3/s. Podrán clasificarse igualmente como Grandes Presas aquéllas que, aun no cumpliendo ninguna de las condiciones anteriores, presenten dificultades especiales en su cimentación o sean de características no habituales. Pequeñas Presas: El resto. Así pues, Reglamento e Instrucción permanecen en vigor y complementan la normativa aplicable en el campo de las presas. Podemos decir que la Instrucción se dirige más hacia el Proyecto y la Construcción, mientras que el Reglamento lo hace más hacia las fases de Explotación y Mantenimiento. Las normas y criterios que contiene la Instrucción son de aplicación únicamente para las Grandes Presas. El Reglamento legisla para todas las presas, la Gran Presa y la Pequeña Presa, siempre que éstas últimas estén calificadas como A ó B. Por último, el Reglamento establece la obligatoriedad de realizar inspecciones programadas para el análisis de la seguridad de la presa y el embalse, así como de redactar los Planes de Emergencia (PEP) para las presas de categoría A ó B, mientras que la Instrucción no lo contempla. Este Reglamento se aplica, de momento, únicamente a todas las presas nuevas y a las existentes cuya titularidad corresponda al Ministerio de Medio Ambiente y a aquéllas que, independientemente de su titularidad, provengan de concesión administrativa otorgada por dicho Departamento ministerial o de sus Organismos Autónomos con posterioridad al 1 de abril de 1996. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 En la actualidad, el número de presas que se rigen por la Instrucción es superior a las que quedan dentro del ámbito del Reglamento, con la particularidad de que el titular de las primeras tiene la obligación de acomodar el contenido del Archivo Técnico de la Presa a lo dispuesto en el Reglamento, así como proponer la clasificación de la presa en función de su riesgo potencial en las Categorías A, B ó C. (Principio de “toda presa mal documentada no puede considerarse como segura”). El Archivo Técnico contendrá, como mínimo, los documentos relativos a: 1. La clasificación razonada de la categoría de la presa, según el riesgo. 2. Los proyectos que han servido de base para la ejecución de la presa, incluyendo los estudios hidrológicos y de avenidas, así como los informes geológicos que se utilizaron para su elaboración. 3. Los resultados de los ensayos y análisis realizados para comprobar la calidad de las obras. 4. La información geológica adicional obtenida durante la ejecución de las obras. 5. Las reformas introducidas en el proyecto durante la construcción de la presa. 6. Los tratamientos realizados para la impermeabilización y drenaje del terreno y la presa. 7. Las actas de los procesos de prueba y puesta en carga de la presa. 8. La evolución de los niveles de embalse, de los caudales entrantes y salientes al mismo, y de los datos climatológicos. 9. La evolución de los caudales de las filtraciones a través del terreno y de la presa y de las presiones registradas. 10. El plan de auscultación de la presa en sus diferentes fases así como los resultados de la auscultación y su interpretación, con especial referencia al primer llenado del embalse. 11. Las actas de las inspecciones realizadas, en las que se incluirán las anomalías observadas. 12. La descripción de los trabajos realizados para la conservación o la seguridad de la presa. El Reglamento establece que el titular deberá elaborar unas Normas de Explotación de la presa y el embalse, que deberán incluir la normativa de seguridad y que se incorporarán al Archivo Técnico de la misma. En ellas se establecerá, como mínimo, lo siguiente: 1. Los niveles máximos y mínimos admitidos en el embalse para cada época del año. 2. La velocidad máxima de variación del nivel del embalse admisible, especialmente si existen riesgos de inestabilidad en las laderas y en las presas de materiales sueltos. 3. Los resguardos convenientes en el embalse durante épocas de riesgo de avenidas. 4. Las normas para accionamiento de compuertas en caso de avenidas. 5. Las precauciones a adoptar para evitar la evacuación intempestiva de caudales que pudieran ocasionar daños aguas abajo de la presa. 6. Los sistemas de alarma y su accionamiento. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Además, indica que en el caso de las presas clasificadas en las Categorías A ó B, formará parte de la Norma de Seguridad el Plan de Emergencia ante el riesgo de avería grave o rotura de la presa. Como resumen de la situación actual, nos encontramos con Presas y Embalses a los que, en función de si estaban construidas ya o estaban en construcción y/o explotación en el momento de publicarse el Reglamento: No es aplicable ninguna normativa específica de seguridad de presas. Es aplicable exclusivamente la Instrucción de 1967. Es aplicable la Instrucción de 1967 pero requieren de la confección de un Plan de Emergencia. Es aplicable el Reglamento de 1996: o Han sido diseñadas conforme al Reglamento de 1996. o Han sido diseñadas conforme a la Instrucción de 1967. o Fueron diseñadas con anterioridad a la Instrucción de 1967. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 1.3. TIPOS DE PRESAS Siendo la presa una estructura hidráulica, los distintos tipos posibles responden a las variadas formas de lograr las dos exigencias funcionales: - Resistir el empuje del agua. - Evacuar los caudales sobrantes. En cada caso, la importancia relativa de estas dos premisas, junto con las condiciones naturales del terreno (topográficas y geológicas) y las exigencias del uso del agua (situación de la central eléctrica, toma de riegos...) dan una serie de condicionantes que llevan a la elección de un tipo de presa como más adecuado. Veamos las variantes posibles, según distintos puntos de vista: 1. En cuanto a sus dimensiones, ya vimos en el capítulo anterior la diferenciación entre Gran Presa y Pequeña Presa según el Reglamento Técnico sobre Seguridad de Presas. 2. En cuanto a la situación del aliviadero, éste puede estar: i. Sobre la misma presa (presas vertedero). ii. Separado de ella. En el primer caso, la estructura está directamente condicionada por el aliviadero; en el segundo, la estructura puede proyectarse con total independencia de aquel. Ejemplo de presa-vertedero. Presa de José Bautista. Murcia. Río Guadalentín Ejemplo de Presa separada del vertedero. Presa de Ricobayo. Zamora. Río Esla 3. Respecto a la forma de resistir el empuje hidrostático, las presas pueden ser: - De gravedad, cuando el peso de la presa es notable y sirve para, al componerse con el empuje, dar una resultante adecuada y francamente interior a la base de la presa. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS - 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 En arco, utilizando una forma curva para la presa, al objeto de transmitir el empuje al terreno en dirección e intensidad adecuadas. Presa de gravedad es aquella en la que su propio peso es el encargado de resistir el empuje del agua. El empuje del embalse es transmitido hacia el suelo, por lo que éste debe ser suficientemente estable para soportar el peso de la presa y del embalse. Constituyen las represas de mayor durabilidad y que menor mantenimiento requieren. Su estructura recuerda a la de un triángulo isósceles ya que su base es ancha y se va estrechando a medida que se asciende hacia la parte superior aunque en muchos casos el lado que da al embalse es casi vertical. La razón por la que existe una diferencia notable en el grosor del muro a medida que aumenta la altura de la presa se debe a que la presión en el fondo del embalse es mayor que en la superficie, de esta forma, el muro tendrá que soportar más presión en el lecho del cauce que en la presa incremente su estabilidad. Dentro de las presas de gravedad se puede tener: i. Escollera, tierra homogénea, tierra zonificada, CFRD (grava con losa de hormigón), de roca, de mampostería. ii. De hormigón tipo HRC (hormigón compactado con rodillo) y hormigón convencional. Éstas pueden ser, a su vez, macizas o aligeradas. Las segundas pretenden emplear menos material. El aligeramiento puede consistir en galerías horizontales o, más frecuentemente, en huecos verticales, quedando constituida la presa por una serie de contrafuertes resistentes por su peso en los que se apoya o va unida a una pantalla que transmite a ellos el empuje del agua. Presa arco es aquella en la que su propia forma es la encargada de resistir el empuje del agua. Debido a que la presión se transfiere en forma muy concentrada hacia las laderas de la cerrada, se requiere que ésta sea de roca muy dura y resistente. Constituyen las represas más innovadoras en cuanto al diseño y que menor cantidad de hormigón se necesita para su construcción. Las presas arco pueden tener curvatura sólo horizontal o doble curvatura (horizontal y vertical), que es lo más normal. Estas se llaman presas bóvedas, de doble arco o cúpulas. También hay un tipo intermedio entre las presas arco y de gravedad que se llama arcogravedad. En éste, la acción de la curvatura es insuficiente para resistir el empuje y hay que dar a la presa un cierto peso para que compense ese defecto. Tiene forma curva para dirigir la mayor parte del esfuerzo contra las paredes de un cañón o un valle, que sirven de apoyo al arco de la presa. Además, el muro de contención tiene más espesor en la base y el peso de la presa permite soportar parte del empuje del agua. Este tipo de presa precisa menor volumen de relleno que una presa de gravedad. Combina, por tanto, características de las presas de arco y las presas de gravedad y se considera una solución de compromiso entre los dos tipos. Hay un tipo mixto, llamado de bóvedas múltiples, constituido por una serie de contrafuertes que resisten por gravedad el empuje hidrostático que les transmiten unas bóvedas en contacto directo con el agua. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 4. Según su aplicación se pueden clasificar como: i. Presas filtrantes o diques de retención: Son aquellas que tienen la función de retener sólidos, desde material fino, hasta rocas de gran tamaño, transportadas por torrentes en áreas montañosas, permitiendo sin embargo el paso del agua. ii. Presas de control de avenidas: Son aquellas cuya finalidad es la de laminar el caudal de las avenidas torrenciales, con el fin de que no se cause daño a los terrenos situados aguas abajo de la presa en casos de fuerte tormenta. iii. Presas de derivación: El objetivo principal de estas es elevar la cota del agua para hacer factible su derivación, controlando la sedimentación del cauce de forma que no se obstruyan las bocatomas de derivación. Este tipo de presas son, en general, de poca altura ya que el almacenamiento del agua es un objetivo secundario. iv. Presas de almacenamiento: El objetivo principal de estas es retener el agua para su uso regulado en irrigación, generación eléctrica, abastecimiento a poblaciones, recreación o navegación, formando grandes vasos o lagunas artificiales. El mayor porcentaje de presas del mundo, las de mayor capacidad de embalse y mayor altura de cortina corresponden a este objetivo. Ejemplo de presa arco-gravedad. Presa de Santa Ana. Huesca. Río Noguera Ribagorzana Ejemplo de presa bóveda. Presa de La Baells. Barcelona. Río Llobregat 5. En atención al material empleado, se clasifican en: - Presas de fábrica: hormigón (convencional o compactado con rodillo) o mampostería. - Presas de materiales sueltos Hoy día las presas de fábrica son casi exclusivamente de hormigón. Son las más utilizadas en los países desarrollados ya que con éste material se pueden elaborar construcciones más estables y duraderas, debido a que su cálculo es del todo fiable frente a las producidas en otros materiales. Normalmente, todas las presas de tipo gravedad, arco y contrafuerte están hechas de este material. Algunas presas pequeñas y las más antiguas son de ladrillo, de sillería y de mampostería. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 En España, el 67% de las presas son de gravedad y están hechas con hormigón. La presa de las Tres Gargantas, situada en el curso del río Yangzi en China, es la planta hidroeléctrica y de control de inundaciones más grande del mundo. Se terminó en el año 2009. Las presas de materiales sueltos son las más utilizadas en los países subdesarrollados ya que son menos costosas y suponen el 77% de las que podemos encontrar en todo el planeta. Son aquellas que consisten en un relleno de tierras, que aportan la resistencia necesaria para contrarrestar el empuje de las aguas. Los materiales más utilizados en su construcción son piedras, gravas, arenas, limos y arcillas aunque dentro de todos estos los que más destacan son las piedras y las gravas. En España sólo suponen el 13% del total. Este tipo de presas tienen componentes muy permeables, por lo que es necesario añadirles un elemento impermeabilizante. Además, estas estructuras resisten siempre por gravedad, pues la débil cohesión de sus materiales no les permite transmitir los empujes del agua al terreno. Este elemento puede ser arcilla (en cuyo caso siempre se ubica en el corazón del relleno) o bien una pantalla de hormigón, la cual se puede construir también en el centro del relleno o bien aguas arriba. Estas presas tienen el inconveniente de que si son rebasadas por las aguas en una crecida, corren el peligro de desmoronarse y arruinarse. En España es bien recordado el accidente de la Presa de Tous, conocido popularmente como la “Pantanada de Tous”, en 1982, que llevó a su reconstrucción. La subclasificación de las presas de materiales sueltos se hace atendiendo a la posición de la pantalla impermeabilizadora, que puede ser interior o agua arriba; a su vez, esta pantalla puede ser de tierra, bituminosa o de hormigón armado, siendo más usada la primera, por ser más homogénea con el resto de la estructura. Como hemos dicho, las presas de materiales sueltos resisten siempre por gravedad. En cuanto al aliviadero, las presas de materiales sueltos lo suelen tener aparte. Ejemplo de presa de materiales sueltos. Presa de Tous-La Ribera. Valencia. Río Júcar Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 2. FUERZAS ACTUANTES La estructura, que puede ser de distintos materiales, debe cumplir en todo caso el doble condicionado: ser estable y ser resistente; ambas, en función de las distintas solicitaciones a que se halla sometida. En cuanto a estabilidad, el sistema de fuerzas (componente V, H y Momentos) ha de estar en equilibrio. En cuanto a resistencia, el material de la presa debe poder soportar, coeficiente de seguridad incluido, las máximas tensiones. Las solicitaciones a considerar están señaladas en el artículo 27 de la Instrucción vigente, y son las detalladas a continuación. 2.1. EMPUJE DEL AGUA Fuerza activa fundamental en una presa. Tiene dos componentes, H y V; en general, la H suele ser la más importante en presas de hormigón, mientras que la segunda lo es en presas de materiales sueltos. El empuje siempre estará bien definido por condiciones geométricas muy simples. La componente H es la misma en una presa con paramento aguas arriba curvo, vertical o inclinado y su ley es triangular, con resultante situada a los 2/3 de la profundidad total. El valor de H=1/2.h2, por ml de longitud de presa y altura h. Por lo tanto, una presa tiene siempre el mismo empuje horizontal, cualquiera que sea la forma de su paramento. La componente vertical V es el peso del prisma de agua que gravita sobre el paramento. Evidentemente, si es totalmente vertical es cero. Entonces, si el paramento de aguas arriba es plano, y siendo p la longitud del mismo, esta componente se puede expresar de dos formas: o V=1/2.h2.p/tanØ, con Ø el ángulo que forma la superficie horizontal del líquido con el mismo paramento. o V=1/2.h2.p.tanØ, con Ø el ángulo que forma la vertical con el mismo paramento. Si se tratara de una bóveda, con desplome en su parte baja, tendría un empuje vertical actuando hacia abajo y otra hacia arriba. Esto último es muy importante tenerlo en cuenta. En todo caso, es muy importante hacer notar que el empuje hidrostático debe computarse siempre hasta el punto más bajo de la cimentación y no hasta la superficie del terreno, porque el agua penetra por el contacto entre la presa y la roca con toda su presión. El no tener en cuenta esta norma conduciría a una grave inseguridad, pues el empuje es una fuerza de gran magnitud que, además, crece con el cuadrado de la altura, por lo que esos metros de profundidad bajo el terreno tienen una notable influencia. Efectivamente, la sobrecarga fundamental de una presa, el empuje hidrostático, es de una magnitud no igualada por ninguna otra de las estructuras normales (puentes, cubiertas, edificios...) en las que es excepcional llegar a 2 T/m2; ésa, es la sobrecarga que carga sobre el pie de una presa de sólo 2 m. de altura. Una presa de 100 m, soporta una sobrecarga de 100 T/m2, esto es, hasta 50 veces más. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 El hecho de que el empuje sea proporcional al cuadrado de la altura influye en otro efecto que puede ser importante: en ciertas crecidas excepcionales, el nivel del embalse puede subir por encima del máximo normal. Aparte de la necesidad de preverlo dejando un margen (resguardo) hasta la coronación, el mayor nivel produce un incremento de empuje, que no sólo crece con el cuadrado de la altura, sino que el punto de aplicación de su resultante ascenderá proporcionalmente a la altura, por lo que el momento crecerá con el cubo de ésta. Su expresión : M=p/6.h3 En las presas por gravedad, particularmente, este efecto puede ser notable, ya que EL PESO ESTABILIZADOR ES FIJO. El máximo efecto del empuje hidrostático se da, evidentemente, para el nivel máximo del embalse y por ello habrá que evaluarlo para el máximo nivel normal de explotación (MNN) y para el máximo nivel extraordinario de crecidas (MNC). En resumen, el empuje es una fuerza fundamental y muy importante, sobre todo en su componente horizontal que es desestabilizadora. La vertical inferior (cuando existe) también lo es, pues empuja hacia arriba. En cambio, la vertical superior es favorable y estabilizadora. Por eso las presas aligeradas están obligadas a tener un paramento inclinado aguas arriba, para que el peso del agua sobre él compense el que se quita de hormigón. NOTA: Llegados a este punto, es preciso realizar un breve comentario sobre los conceptos MNN, MNC, Avenida Máxima y Normal en la Instrucción para el proyecto, Construcción y Explotación de grandes presas de 1967: Máximo Nivel Normal del embalse: Es el máximo que la superficie del agua puede alcanzar en circunstancias normales de explotación, cuando éstas no exijan el vertido por los aliviaderos (es decir, umbral de alivio o vertido). Máximo Nivel del embalse en Crecidas: Es el que la superficie del agua puede alcanzar cuando ocurre la mayor crecida prevista, funcionando el aliviadero sin limitar su capacidad por compuertas (es decir, con compuertas completamente abiertas). Además, en la consideración del Estudio Hidrológico (art. 14.7), para determinar la capacidad del sistema de desagüe de la presa, se definían dos avenidas a considerar en el proyecto: Avenida Máxima, aquella cuyo periodo de recurrencia sea de 500 años, y Avenida Normal, la de periodo de recurrencia de 50 años máximo. Asimismo, según el art. 18.2, se fija como límite superior de la suma de los caudales que puedan ser evacuados por todos los dispositivos sujetos a control y con el embalse a su máximo nivel normal, el equivalente a la Avenida Normal, con vistas a no alterar las condiciones del riesgo preexistente aguas abajo. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Por su parte, el Reglamento técnico sobre Seguridad de Presas y Embalses de 1996, con el criterio básico del riesgo potencial asumible, establece (art. 11) dos tipos de avenidas: Avenida de Proyecto como la máxima avenida para dimensionar el aliviadero y los órganos de desagüe, de forma que funcionen correctamente. Avenida Extrema, la mayor avenida que la presa puede soportar, sin que se produzca su rotura. Este Reglamento, a propósito nada concreto en la definición de la Avenida de Proyecto, se encomienda a la buena práctica en el arte de proyectar y construir presas. Por lo que el Comité Español de Grandes Presas ha preparado unas Guías Técnicas, con carácter de recomendaciones, más detalladas y concretas para su aplicación práctica, entre ellas la Guía nº 4 relativa a la Avenida de Proyecto. Esta Guía nº 4 se fundamenta en el criterio de que las exigencias de seguridad de una presa deben estar de acuerdo con la magnitud del riesgo y dictamina en su página 28 que los riesgos potenciales aguas abajo de la presa, debidos a su hipotética rotura, y por tanto la categoría de la presa a efectos de seguridad, son los criterios básicos para la evaluación de las avenidas de proyecto y extrema. Hace un estudio comparativo contemplando las estadísticas presentadas en los Congresos Internacionales de Grandes Presas de 1973 y 1982, del que concluye que la mayoría de los países tratan la avenida de proyecto considerando mayor número de años de periodo de recurrencia. Por lo que la Guía, intentando coincidir con la mayoría de países, recomienda que se dimensionen los órganos de desagüe de las presa de categoría A, las de mayor riesgo, en base a periodos de recurrencia de 1.000 años para la avenida de proyecto; y lógicamente valores de periodos de recurrencia más reducidos para las presa de categorías B y C de menor riesgo potencial. Como se puede comprobar, en el Reglamento ha desaparecido la anteriormente denominada avenida normal (la producida voluntariamente mediante la apertura de los elementos de desagüe controlados con caudal de periodo de recurrencia máximo de 50 años), que era una garantía de no incrementar durante la explotación el riesgo preexistente de daños aguas abajo. Por otra parte, a falta de concreción en el Reglamento de algún criterio para elegir la avenida de proyecto y la avenida extrema la Guía recomienda considerar unos determinados periodos de retorno, lo que de hecho, en la práctica, ha convertido la Guía en norma de cumplimiento obligado (en vez de “recomendación”). Y lo hace elevando notablemente los periodos de retorno que estipulaba la anterior Instrucción de 1967, intentando asemejarse lo que establecen la mayoría de las normas extranjeras. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 2.2. PESO PROPIO Es la primera fuerza obligada en toda estructura. Fuerza pasiva, fundamental y permanente. Componente vertical, que colabora en la estabilidad y que también está bien definido, con ciertos matices. El peso depende de la forma y dimensiones de la presa y del peso específico de los materiales. La forma y dimensiones se definen en el proyecto, pero, la profundidad de la cimentación puede variar al hacer la obra y con ella el peso propio. En cuanto al peso específico, hay que distinguir si se trata de hormigón o de materiales sueltos. La densidad del hormigón varía entre límites relativamente restringidos, y en ese sentido se conoce bastante bien el orden de magnitud en el proyecto; sin embargo las presas de gravedad, como se verá, son muy sensibles a este factor, por lo que conviene ser prudentes en esa estimación. La Instrucción autoriza tomar una densidad 2,3 T/m3 cuando no se conozcan suficientemente los áridos y la dosificación, pero esa cifra es quizá en exceso prudente, pues hoy día es común obtener hormigones de 2,5 y hasta 2,55 -estos últimos en los compactados con rodillo- por lo que parece puede tomarse una densidad de 2,4 a nada que se conozca que el hormigón va a hacerse correctamente. De todas formas, dentro del conocimiento que se tenga sobre los componentes del hormigón, más vale quedar del lado de la seguridad y no obsesionarse por un aquilatamiento de dimensiones que no influye tanto en la economía y sí puede influir en la seguridad. En las presas de materiales sueltos las dimensiones dependen fundamentalmente de los materiales, que tienen una amplia gama de variación, no sólo de peso, sino de características, que pueden influir más que aquél. Por ello, al proyectar la presa, deben conocerse, al menos con cierta aproximación, las características de los que se van a emplear. Luego, en la obra, a veces es preciso cambiarlos por imperativo de los que se encuentran en las proximidades, y en tal caso hay que reajustar el proyecto. Tanto en el caso del hormigón como en el de materiales naturales hay que hacer controles sistemáticos en obra, y cuando las diferencias de peso superen el 2%, debe revisarse si afectan al comportamiento de la presa. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 2.3. SUBPRESIÓN Fuerza activa complementaria importante. La subpresión está producida por la filtración; es pues, exclusiva de obras hidráulicas. Ejerce una acción de cuña, con componentes H y V, siendo V la más destacada en general. Está mal definida, pero se puede controlar en parte. Al estar la presa en inmediato contacto con el agua del embalse, ésta se filtra a través de sus huecos, grietas y poros y, como consecuencia, se producen los siguientes efectos: Una pérdida de agua por filtración. Un posible arrastre de material fino por al agua filtrada. Unas presiones hidrostáticas en el interior de la presa que se añaden al sistema tensional debido a las fuerzas exteriores. Estos efectos son más marcados en las presas de materiales sueltos, pero, también se dan en las de hormigón, aunque con otras modalidades. El primero sería sólo económico si no llevara consigo el segundo, que es de fundamental importancia en las presas de materiales sueltos, por el peligro de desintegración interna progresiva. En cuanto a las presiones internas, son mecánicamente desestabilizadoras, porque sus componentes verticales hacia arriba se oponen al peso. En el caso de las presas de materiales sueltos se hace imprescindible determinar la red de corriente. El conocimiento de ésta tiene dos aplicaciones: conocer la filtración que se dará a través de la presa y calcular las presiones intersticiales. En las presas de materiales sueltos, es importante conocer las presiones en varios puntos, por su efecto singular, así como su acción conjunta a lo largo de una superficie interior a la presa, ya que contribuyen al posible deslizamiento de la masa situada por encima de esa superficie al restarse al peso con sus componentes verticales. En las de hormigón, aunque estos efectos no parecen existir a simple vista, pues se tienen como impermeables, también hay que tenerlos en cuenta para limitar esos efectos con dispositivos adecuados. En las presas de hormigón, sobre todo en las de gravedad, la integral de las presiones internas a lo largo de una superficie que corte a la presa o a su cimiento, da una fuerza que se llama subpresión, pues su componente más desfavorable es la contraria al peso que es desestabilizadora. Es difícil dar órdenes de magnitud de la intensidad de estas fuerza en presas de materiales sueltos, dada su diversidad, pero sí se puede dar para una presa de gravedad: por ejemplo, en una presa de paramento mojado vertical y paramento libre con talud 0,8 (tgΦ=0,8, siendo Φ el ángulo que conforman la vertical y el paramento de aguas abajo), la subpresión puede suponerse en general equivalente a un triángulo actuando sobre la base con intensidad de 0,5 de la presión hidrostática aguas arriba y cero aguas abajo. Si la altura de la presa es h y su base es a, se tendrá: Peso propio (densidad Ɣ=2,4 T/m3): ½.a.h.2,4=1/2.0,8.h.h.2,4=1/2.h2.0,8.2,4 = 0,96.h2 Empuje hidrostático: ½.h2 = 0,5.h2 Subpresión (coeficiente 0,5): ½.a.0,5.h = 1/2.h2.0,8.0,5 = 0,2.h2 Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 La supresión sería el 40% del empuje hidrostático y más del 20 % del peso, lo que equivale a reducir la densidad del hormigón a Ɣ=1,9, como seguidamente se justifica, con el consiguiente efecto desestabilizador: Resultante = P-S = (0,96-0,2). h2 = 0,76. h2 --> 0,76. h2 = 1/2.0,8.h2.Ɣ --> Ɣ = 1,9 T/m3 De aquí la importancia de conocer esta fuerza, aminorarla en lo posible, y tenerla en cuenta debidamente en los cálculos. El inconveniente es que, al revés que el peso y el empuje, no se puede estimar con exactitud, y es preciso hacerlo por hipótesis y similitud con otras obras, por lo que se requiere observar luego la presa para comprobar si la realidad responde a lo supuesto y hacer, si procede, las rectificaciones oportunas. 2.4. EFECTOS TÉRMICOS Y DE FRAGUADO Al fraguar el hormigón sufre una retracción higroscópica que, de no tomar las oportunas precauciones, produciría grietas. Si el hormigón se mantiene húmedo durante el fraguado, la retracción es moderada o se produce un ligero entumecimiento. La retracción higroscópica tiene menor importancia en las presas que en otras estructuras más delgadas, siempre que se conserven húmedas las superficies del hormigón durante la primera fase del fraguado (curado), porque los grandes espesores de las presas hacen que se conserve la humedad en su interior. Tomadas estas precauciones, no hay que considerar esta retracción en el cálculo de las presas. En cambio, sí pueden ser importantes los efectos de las variaciones térmicas del hormigón, que proceden de estas dos causas: Durante el proceso de fraguado del cemento se desprende una gran cantidad de calor, con la consiguiente elevación de temperatura. Este calor se elimina con lentitud, debido a los fuertes espesores, transcurriendo mucho tiempo antes de que el exceso se disipe y el hormigón se acerque a la temperatura ambiente. Además, en su vida normal, la presa está sometida a las variaciones de la temperatura del aire, del agua del embalse y de la radiación solar, que actúan sobre sus paramentos y se transmiten lentamente al interior. Para paliar en lo posible los efectos de la contracción subsiguiente a los incrementos de temperatura por fraguado se toman en obra una serie de medidas: uso de cementos con bajo calor de hidratación, aditivos que lo moderen, enfriamiento de los áridos, y otras para conseguir el enfriamiento natural o artificial de los bloques de hormigonado conforme se van construyendo, llegándose incluso a instalar una red de agua fría circulando por su interior. Con estas medidas no es necesario tener en cuenta este efecto en las cargas interiores de la estructura, en general, salvo en casos de presas de mucha importancia. Obviamente sí hay que tenerlo en cuenta para proyectar las instalaciones de obra citadas. Las temperaturas externas actúan sobre los paramentos de la presa y se transmiten al interior con gran lentitud, dado el bajo coeficiente de transmisibilidad térmica del hormigón. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 En presas de gran espesor, el tiempo de transmisión puede ser de un mes o más; de aquí que la época de menor temperatura media interior sea al principio de la primavera y la máxima al principio del otoño. Por lo mismo, las temperaturas extremas (de corta duración), no afectan al cuerpo conjunto de la presa, y sólo a los paramentos, dilatándolos y contrayéndolos con cierta independencia del resto de la masa, lo que puede traducirse en un deterioro superficial, que se suma al que produzcan el hielo, viento, lluvia, etc. Las presas aligeradas son las más afectadas por la meteorización, pues el aligeramiento se consigue con formas más delgadas (contrafuertes) y mucha mayor superficie; a cambio, la transmisión térmica hacia el interior y la evacuación del calor de fraguado son más rápidas que en las presas macizas. La mejor protección de los paramentos es una buena ejecución, que se puede complementar (aunque no es lo normal) con productos específicos y (en casos muy raros) con placas prefabricadas. Por ello, los efectos térmicos en el cuerpo de la presa pueden calcularse partiendo de las variaciones térmicas medias mensuales, y de las diarias sólo en los paramentos. En el paramento mojado, las temperaturas son las del agua hasta el nivel medio que alcance en la época de cálculo. En presas excepcionales se tendrá en cuenta el efecto de la acción directa de los rayos solares. En los casos normales se puede simplificar el cálculo de los efectos térmicos, considerando la distribución de temperaturas en la presa como uniforme en el sentido del espesor y variable de una sección a otra, según la ley empírica (art. 36 de la Instrucción): ∆θ = ∆T 1 + 0,3 ∙ e Donde: e es el espesor en metros, ΔT la variación (incremento) máxima de la temperatura media mensual y ΔƟ la variación (incremento) virtual de temperatura utilizable para el cálculo. AMBAS, EN EL MOMENTO DE CIERRE DE LAS JUNTAS. Las presas más afectadas por las variaciones de la temperatura son las en arco. Estas presas se construyen por bloques verticales que se traban entre sí al final o en otros momentos, bastante avanzada la obra; mientras tanto, los bloques son libres para moverse, por lo que las variaciones de la temperatura no producen tensiones. Al quedar unidos los bloques (por rellenos e inyecciones) pierden tal libertad y, a partir de ese momento, las dilataciones o contracciones se traducen en tensiones. Por ello, tanto ΔT como ΔƟ han de computarse referidas a la temperatura de los bloques en el momento del cierre de juntas de construcción. Dado que el efecto más desfavorable es el de tracción, se procura hacer el cierre unos 30 días después de comenzar la primavera, para que la temperatura de los bloques sea la mínima y los esfuerzos sean preferente o exclusivamente de flexocompresión. Las presas de gravedad también se construyen por elementos verticales, pero salvo excepciones, no se traban entre sí, sino que se dejan independientes y libres de moverse unos respecto a otros quedando separados por planos verticales normales a la coronación con junta abierta entre ellas. La impermeabilidad se consigue por medio de una junta de material flexible situada aguas arriba que impide el paso del agua sin entorpecer el movimiento relativo entre bloques. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 De esta forma, la presa no queda afectada, en general, por las variaciones de temperatura; sólo en algunas de gran tamaño podrían crearse tensiones por diferencias de temperatura en el interior de la masa. Las presas aligeradas también funcionan como elementos verticales independientes, con juntas de estanqueidad entre ellos. En cuanto a las de materiales sueltos, la nula o baja cohesión de éstos y su deformabilidad anulan los efectos de las variaciones térmicas. Su proceso de construcción es por tongadas horizontales continuas, sin juntas verticales, innecesarias en este caso. 2.5. OTRAS SOLICITACIONES Las acciones analizadas hasta ahora actúan sobre todas las presas de forma continua, variable o con cierta periodicidad, aunque en ocasiones (como la temperatura en presas de materiales sueltos) no causen efecto apreciable. Las solicitaciones que vamos a considerar ahora sólo se dan en ciertos lugares (seísmos, hielo) o son aleatorias (olas, seísmos), etc. Y, salvo los seísmos, sus efectos son generalmente de poca importancia frente a las solicitaciones estudiadas hasta aquí. En definitiva, con las fuerzas anteriores hay que contar siempre, pero, hay otras fuerzas accidentales, que aunque no actúan en todo momento, han de tenerse en cuenta al proyectar la estructura que las soporte. Son las siguientes: 2.5.1. Terremotos. Un movimiento sísmico produce dos efectos en la presa: La oscilación del terreno de apoyo se transmite a la base y estribos de la presa y produce en ella unas tensiones suplementarias. Los desplazamientos de la presa por este motivo, actúan sobre el agua del embalse lo que, por reacción, da lugar a un empuje suplementario sobre el paramento. Aparte de estos efectos, el seísmo podría provocar directamente una onda en el mismo embalse, con el consiguiente impacto sobre la presa e, incluso, eventual desbordamiento sobre ella. Sin embargo, este efecto no suele considerarse, salvo en zonas donde se presuma como probable, y entonces es necesario hacer un estudio particular. Otro efecto posible, aunque remoto, es que el seísmo provoque un deslizamiento de estratos en las laderas del embalse, lo que podría dar lugar también a una ola peligrosa. En este caso es muy importante ver el buzamiento de los estratos y si están cementados unos a otros o si hay capas intercaladas, por ejemplo, de arcillas que en contacto con el agua podrían favorecer el deslizamiento de los estratos situados arriba y abajo. En general, estos accidentes son muy extremos, y sólo son a considerar en los casos en que se sospeche su peligro, como en terrenos fallados o con desprendimientos precedentes. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Los terrenos con fallas activas que atraviesan el embalse pueden dar lugar a descensos parciales de zonas, con las consiguientes ondas y riesgo de desbordamiento, sobre todo si el descenso se produce en la presa. Aparte de estos fenómenos naturales, la misma presa puede provocar micro-seísmos o incluso movimientos más sensibles, porque el agua del embalse, con su peso, altera el estado de cargas del terreno. Esto se ha observado en embalses de cierta entidad, por encima de 100 m de profundidad y cierta extensión. España, en general, es poco sísmica. Los mapas que se acompañan a continuación corresponden a los de la Instrucción de 1967 y al de la Norma Sismorresistente PDS-1 (1974) respectivamente. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Como se puede comprobar, la mayor parte de la península y Baleares (salvo Mallorca) son de sismicidad baja; Canarias, Mallorca y zonas extensas del sur y norte son de grado medio; y sólo tres áreas concretas (Granada, Murcia-Alicante y Pirineo Aragonés) son de alta sismicidad. La intensidad de un seísmo se suele expresar comparando la aceleración que produce con la de la gravedad g. El método habitual para calcular el efecto de un sismo en una presa es el llamado pseudo-estático, que consiste en suponerlo equivalente a una fuerza de masa igual a la presa, actuando en el centro de gravedad de la presa y con una aceleración de β.g, siendo β el coeficiente definidor de la intensidad del seísmo. Esa fuerza actúa en una determinada dirección y en ambos sentidos, puesto que es oscilatoria. Es obvio que las componentes más desfavorables son hacia arriba (porque resta peso estabilizador) y hacia agua abajo (porque se suma al empuje hidrostático). La Instrucción señala un valor de β entre 0,05 y 0,10 en las zonas de sismicidad media, que corresponden a los grados 6 a 7 de la escala modificada de Mercalli. En las zonas de baja sismicidad no se precisa comprobación especial, y en las de alta sismicidad habrá de hacerse un estudio especial, de acuerdo con el estudio sísmico concreto y las características de la presa y el lugar. El coeficiente β en las zonas de sismicidad media se aplicará íntegramente a la componente horizontal, y un 50% de β a la vertical. Según esto, en una presa de altura h y base t.h (suma de taludes t) las componentes debidas al seísmo serán: H = ∙ ∙ β. γ V = ∙ ∙ 0,5. β. γ Donde: Ɣ = 2,4 T/m3 (densidad del hormigón). Estas componentes, tomadas en los sentidos más desfavorables, equivalen a: • Una disminución del peso específico en 0,5.β.Ɣ (un 2,5 al 5 % en zonas de sismicidad media). El peso específico equivalente será: (1-0,5. β).Ɣ, con lo que de 2,4 T/m3 estaríamos pasando a un intervalo que va de 2,28 a 2,34 T/m3. • Una fuerza horizontal similar a un aumento del empuje hidrostático y aplicada en el mismo punto (un tercio de la altura). El empuje hidrostático equivalente total será: h ∙ (1 + β ∙ t ∙ γ) 2 Obsérvese que el aumento es importante, pues es del 10 al 20 % del hidrostático, (para Ɣ=2,4 T/m3 y t = 0,85). Es decir, que una presa con hormigón de 2,4 de densidad va a resistir como si fuera de sólo 2,28 a 2,34, francamente bajo; pero al propio tiempo, estará sometida a un empuje adicional del 10 al 20 %. Se comprende que ambos efectos simultáneos se traducen en un aumento notable de las dimensiones. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Llegados a este punto, es importante comentar lo indicado en el art. 34.5 de la Instrucción: “Las acciones sísmicas horizontales y verticales se considerarán que, separada y conjuntamente, actúan en la dirección más desfavorable. No se tendrá en cuenta la coincidencia con temporales o avenidas extraordinarias”. En las presas de gravedad los movimientos sísmicos sacuden la estructura sin que, en general, haya peligro de resonancia, dada su gran rigidez. En cambio, en otros tipos más delgados, como las bóvedas o contrafuertes, y en algunas de materiales sueltos, por su constitución, el período propio de vibración de la presa puede ser próximo a la frecuencia del seísmo, y puede haber resonancia, con el consiguiente refuerzo de las tensiones. Por eso, la Instrucción (art. 34.4) prescribe para esas presas y para las de gravedad de más de 100 m de altura en zonas de alta sismicidad el empleo del método dinámico, que tiene en cuenta la forma real de oscilación de la estructura. En las presas de materiales sueltos se pueden producir también otros efectos que afectan a la consolidación de los materiales. Las frecuencias de los seísmos varían entre límites muy amplios: desde oscilaciones muy rápidas, con frecuencias auditivas, hasta períodos largos. En los casos extremos, debido a la escasa amplitud o a la lentitud, los seísmos tienen poca influencia en las presas; los más peligrosos suelen ser los de período alrededor de un segundo. Por su parte, las sobrepresiones dinámicas producidas por la reacción del embalse fueron estudiadas por Westergaard (art. 34.6 de la Instrucción). En un paramento vertical puede aplicarse con suficiente aproximación su fórmula simplificada: P = C ∙ β. h. y Siendo: β = coeficiente de aceleración respecto de la gravedad. h = altura de la presa en metros. y = profundidad en metros bajo el nivel del embalse en la que se produce la presión p en t/m2. C = coeficiente que adopta el siguiente valor: = 0,817 ℎ 1 − 0,72. (304,8. ) En donde T es el período de la oscilación, del orden de un segundo, si no se conoce directamente. El parámetro C varía relativamente poco: 0,984 para h = 200 m, 0,851 para 100 m, y 0,820 para 30 m. La ley de variación de p con la profundidad es parabólica. Su integral, que es el empuje total, es: 2 E = . C. h . β 3 Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Y su momento respecto al pie del paramento: (M)E = 4 . C. h . β 15 El punto de aplicación de Ew está a una altura 2/5.h sobre el pie de la presa, un poco más alto que el del empuje hidrostático. La magnitud de este efecto es importante, aunque un poco menor que el directo sobre la presa. Si el paramento es inclinado respecto a la dirección del seísmo, la sobrepresión vendrá multiplicada por el coseno del ángulo de esa dirección con la normal al paramento. 2.5.2. Empuje de los sedimentos. Al quedar remansada el agua en el embalse, los sólidos que lleva en suspensión se van depositando lentamente en el fondo. Al cabo del tiempo (en general, varios años) el depósito formado al pie de la presa puede alcanzar en algunos casos cierta importancia, y dar un empuje que se suma al del agua. Dado que ese efecto se concentra en la parte baja, su magnitud y momento son bastante menores a los hidrostáticos. En muchas presas este depósito es muy lento y no llega a tener magnitud significativa (en parte es controlable por descargas de fondo), pero en otras (en el litoral mediterráneo español, por ejemplo) la sedimentación puede ser importante. El empuje de los sedimentos se calcula por las fórmulas conocidas de la Mecánica de los suelos. Se utiliza bastante la de Rankine: = ∙ℎ . (45º − ) Donde: es el peso específico virtual de los sedimentos (peso específico aparente menos el del agua por el índice de huecos, ya contado en el hidrostático); hd la altura del sedimento, y rozamiento; si no se conoce este último, puede tomarse el ángulo de = 30°. Esta fórmula supone un cierto desplazamiento del muro por el empuje activo, pero una presa es muy rígida, por lo que el empuje real puede ser mayor, aunque difícil de estimar (con el límite superior del empuje en reposo). La Instrucción (art. 32) permite que, en el caso (bastante corriente) de no conocerse los datos, se calcule el empuje horizontal como el correspondiente a un líquido de densidad 0,4 T/m3 y el vertical igual al producido por un líquido de densidad 2,0 T/m3, hasta la altura presumible del depósito en 100 años. Esta simplificación suele ser suficiente y aceptable, dado el menor efecto de esta acción, en general, y sobre todo el tiempo disponible hasta que llegue a alcanzar cierta altura, lo que permite conocer mejor sus datos y, eventualmente, tomar las medidas oportunas, lo que no ocurre con otras solicitaciones más importantes y de actuación más segura. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Nótese que un depósito ya importante del 20 % de la altura de la presa produciría sólo un empuje horizontal equivalente al 1,6% del hidrostático. Un sedimento excepcional del 50 % de la altura daría un empuje del 10 % del hidrostático, que ya influiría. 2.5.3. Efecto del oleaje El viento, al actuar con cierta intensidad y continuidad sobre la superficie del embalse, produce olas de mayor o menor altura, que impactan sobre el paramento. Además, si la altura de la ola fuera suficiente, podría sobrepasar el nivel de coronación y verter sobre la presa, lo que sería grave si ésta fuera de materiales sueltos. Este último suele ser el principal efecto a tener en cuenta, pues los empujes dinámicos son en general de menor entidad. Para evitar el eventual vertido, la coronación se sitúa a una cierta altura o resguardo sobre el nivel máximo previsible del embalse en crecidas (MNC), pues durante éstas son frecuentes los vientos fuertes y persistentes. Para evitar los salpicones de las olas, se coloca en algunas presas un murete protector en el lado aguas arriba de la coronación, pero esto tiene otros inconvenientes y requiere ciertas precauciones para que no se convierta en un arma de dos filos. La altura de la ola depende de la intensidad y continuidad de los vientos y de la longitud sobre la que pueden actuar. Aunque hay fórmulas que tienen en cuenta todos estos datos, como el ábaco del Corps of Engineers de EE. UU, en los embalses normales suele bastar la utilización del Fetch o línea de agua, que es la distancia máxima F en recta desde la presa a la orilla más lejana. La fórmula de Stevenson da una altura de ola: = 0,76 + 0,34 ∙ √ − 0,26 ∙ √ Donde F es el Fetch en Km. También está la fórmula de Iribarren: = 1,2 ∙ √ Que está obtenida para distancias marítimas y suele dar alturas de ola excesivas para los embalses, que tienen un Fetch mucho menor, por lo que se recomienda la de Stevenson. La altura a es la amplitud de la ola, o distancia vertical entre su cresta y su valle. Como la ola es asimétrica, su seno o valle está a/3 por debajo, y la cresta 2a/3 por encima del nivel en reposo. Al chocar con un paramento vertical, la ola sufre una reflexión, y alcanza una sobreelevación igual al doble de la altura de la cresta sobre el nivel normal, es decir: h= 4/3.a Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Teniendo en cuenta esta sobreelevación se produce un empuje con ley triangular y máxima presión en el nivel medio de la ola. La presión va disminuyendo rápidamente con la profundidad, por lo que, con suficiente aproximación, se puede suponer una ley equivalente a la doble triangular de la figura anterior, que da un empuje total 2a2 por metro lineal de coronación. El efecto máximo se produce con el máximo embalse, pues dará el mayor Fetch y momento. Sin embargo, el empuje de las olas es casi despreciable frente al hidrostático en el conjunto de la presa: en una de 100 m de altura, con una línea de agua de 20 km (que equivale a una pendiente media del cauce del 0,5 %) y viento de 80 km/h, a = 2,5 m, con un empuje de 12,5 t/ml y momento 1.250 mt/ml, que son, respectivamente, sólo el 0,25 y 0,75 % de los hidrostáticos (despreciables). 2.5.4. Empuje del hielo. Al solidificarse el agua aumenta su volumen un 10%. Si en el embalse llega a formarse una capa continua entre la presa y las orillas, la dilatación coaccionada por éstas dará un empuje sobre la presa. Si el espesor no es suficiente, la compresión producirá el pandeo de la capa y no habrá empuje sobre la presa. Por eso la Instrucción limita la consideración de este empuje a los casos en que sea previsible la formación de una capa de más de 20 cm de espesor y - se sobreentiende- continua, no en bloques aislados, que no empujan. En caso positivo se tomará una presión horizontal equivalente a 10 t/m2 (1 kg/cm2) sobre la proyección vertical del área de contacto del hielo con el paramento mojado. Cuando éste sea muy tendido, o las laderas próximas a la presa tengan pendientes moderadas, se podrá aplicar un coeficiente de reducción, puesto que el hielo podrá deslizar en el contacto y reducir su empuje. Obsérvese que una capa de hielo de 1 m de espesor produce un empuje de 10 t/ml, aún menor que el que calculamos para el oleaje, con la misma consecuencia respecto a la casi nula importancia en el conjunto de la presa. Y lo mismo que el oleaje, sólo en la parte superior y con poca entidad, puede ser algo más sensible. En el caso del hielo, la acción sobre las compuertas puede ser más peligrosa que las olas, no sólo por el empuje en sí, sino sobre todo por el posible bloqueo de las guías o mecanismos o por adición de peso a aquéllas. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 En España, el efecto del hielo suele ser nulo o despreciable, y es muy raro tenerlo en cuenta, salvo en alta montaña y en las compuertas. Sí, en cambio, puede ser más apreciable su efecto en el deterioro de los paramentos, pues para ello no se precisan espesores ni fríos excesivos, sino la mera formación de hielo. Seguidamente se pueden observar imágenes de las presas de Bachimaña, de Ibón de Ip y de Urdiceto en el pirineo aragonés, con y sin nieve, donde es lógico pensar que, al menos en estas zonas, han de tenerse en cuenta los efectos del hielo: Presa de Bachimaña con y sin nieve. Valle de Tena. Panticosa. Huesca Presa de Ibón de Ip con y sin nieve. Huesca. Río Ibón de Ip Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Presa de Urdiceto con y sin nieve. Huesca. Barranco de Urdiceto 2.5.5. Vibraciones resonantes en compuertas Corrientemente de menor cuantía, dependiendo esencialmente del tipo de estructura. Así, en las presas de compuertas, debe estudiarse la posibilidad de vibraciones resonantes en dichas compuertas. La Instrucción de Grandes Presas (B.O.E. de 27-10-67) da unas reglas, orientativas unas e impositivas otras, para valorar las solicitaciones indicadas. 2.6. COMBINACIÓN DE SOLICITACIONES Las solicitaciones señaladas no actúan todas simultáneamente. Existen determinadas combinaciones de ellas que son determinantes. A continuación se harán ciertas puntualizaciones. Se llama Gran Presa (art. 3.1 del Reglamento) a aquella que tiene altura sobre cimientos igual o superior a 15 m., o bien, aquella cuya altura esté entre 10 y 15 metros siempre que su longitud sea >de 500 metros, o cuyo volumen de embalse sea igual o superior a 1.000.000 m3, o con una capacidad de desagüe superior a 2.000 m3/s. También las que tengan acusada repercusión por seguridad o economía. Se considera como Altura de Presa, la diferencia de cotas entre coronación y el punto más bajo del cimiento (excluidos rastrillos o pantallas). Se dice Máximo Nivel Normal a la cota máxima que puede alcanzar normalmente (umbral de aliviadero fijo o cresta del móvil). Nivel Máximo de Crecida es la cota máxima maximorum que se supone pueden alcanzar las aguas (incluido desbordamiento sobre aliviadero), en el caso de la avenida máxima del cálculo (500-1.000 años). Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Las distintas combinaciones que considera la Instrucción son seis: dos normales y cuatro accidentales. Las combinaciones normales son: A1) Embalse vacío. Actuación sola o simultánea de: - Peso propio. - Variaciones de temperatura. A2) Embalse lleno. Actuación sola o simultánea de: - Peso propio. - Empuje hidrostático. - Presión intersticial (subpresión). - Empuje de aterramientos. - Empuje de hielo o de las olas. - Variaciones de temperatura. El empuje hidrostático y la presión intersticial serán los correspondientes al Máximo Nivel Normal. Las situaciones accidentales son: B11) Correspondiente a A1, más la consideración de efectos sísmicos. B21) Correspondiente a A2, más suposición de drenes ineficaces. B22) Correspondiente a A2, más la consideración de efectos sísmicos. Se supondrá que las presiones intersticiales no son afectadas por seísmos y, además, puede prescindirse del empuje de hielos. B23) Correspondiente a A2, pero con el Nivel Máximo de Crecida, incluyendo oleaje extraordinario (por posibles aludes). Se prescindirá del empuje de hielos, y se supondrá que las presiones intersticiales no son afectadas por la sobreelevación del embalse. 2.7. COEFICIENTES DE SEGURIDAD Las solicitaciones señaladas no actúan todas simultáneamente. Existen determinadas combinaciones de ellas que son determinantes. A continuación se harán ciertas puntualizaciones. Art. 40.3: Se exigirán, como mínimo, los siguientes coeficientes de seguridad en relación con la resistencia característica del hormigón a los 90 días: Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 A compresión: 4 (cuatro) en las situaciones normales A1 y A2. 3 (tres) en las situaciones accidentales B11, B21, B22 y B23. A tracción: 3 (tres) en las situaciones normales A1 y A2. 2 (dos) en las situaciones accidentales B11, B21, B22 y B23. Art. 40.5: Salvo justificación suficiente, las cargas de trabajo a compresión de la presa no rebasarán los 80 Kg/cm2 y, en ningún caso, sobrepasarán los 100 Kg/cm2 en situaciones normales, ni los 120 Kg/cm2 en las accidentales. NOTA: Lo normal es que Tc<40 Kg/cm2. Esto supone que fck=4x40=160 Kg/cm2 HM-15 ó HM-20. También es importante tener en cuenta este artículo: Art. 41.2: No se admitirán como elementos resistentes de las obras, hormigones cuya carga de rotura característica a compresión sea inferior a 100 Kg/cm2. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 3. SUBPRESIÓN 3.1. SECCIÓN TRANSVERSAL DE UNA PRESA DE GRAVEDAD Comenzamos por describir las formas y dimensiones exteriores normales de una presa de gravedad para pasar después al análisis de los efectos de las presiones internas debidas al agua infiltrada, lo que llevará a razonar y describir los dispositivos para controlarlas (red de drenaje) que completan la estructura interior de la presa. Todo ello servirá de base para la comprobación de la estabilidad y fijación de orden de magnitud de las dimensiones. Una presa de gravedad trabaja componiendo su propio peso con las restantes fuerzas actuantes sobre ella, entre las que destaca el empuje hidrostático. Ello lleva a una presa maciza de gran volumen, o a otras menos robustas (aligeradas) en las que se necesita, para compensar el aligeramiento, disponer del peso de un prisma de agua sobre el paramento mojado, que ha de tener, para ello, una cierta inclinación. La sección transversal de una presa de gravedad consiste fundamentalmente en un triángulo rematado por un trapecio menor que sirve de coronación y para el paso de peatones o vehículos. El vértice del triángulo suele coincidir, en principio, con el máximo nivel en crecidas (MNC) para asegurar la estabilidad en el caso más desfavorable. De esta forma, el nivel normal de explotación (MNN) queda por debajo del vértice, con menor empuje hidrostático. La práctica ha consagrado la idoneidad de esta disposición general, desechando otras secciones, como la rectangular, que se ve en algunas presas antiguas (centenarias o casi, en general) mucho menos propia que la triangular. Los taludes de la presa suelen ser muy diferentes: el mojado, vertical o próximo, lo más frecuente 0,05, y menos usado 0,10. Más de 0,10 sólo se emplea en presas con cimientos muy desfavorables y en las aligeradas (en éstas, con carácter general). El talud libre suele variar entre 0,7 y 0,8, dependiendo del de aguas arriba y de las fuerzas actuantes. En las zonas sísmicas los taludes aumentan, y su suma puede llegar (excepcionalmente) a 0,95, mientras que en zonas no sísmicas suele ser 0,8 o ligeramente menor. Por otra parte, un ligero talud aguas arriba en vez del vertical se adopta por las siguientes razones: i. Da la óptima estabilidad. ii. Con paramento vertical, el pie aguas abajo tiene tensión nula con el embalse vacío, pero el peso de la coronación daría lugar a una tracción que, aunque pequeña y en el lado sin agua, conviene suprimir e incluso convertir en compresión residual. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS iii. 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Con embalse vacío un paramento vertical produce sensación de desplome, mientras que con una leve inclinación «parece» vertical. Además, las desigualdades de encofrado se disimulan mejor con la inclinación: la vertical «acusa» más los defectos. Las dos últimas razones son de poca entidad, pero, junto con las dos primeras son suficientes para adoptar el talud inclinado, sancionado por la práctica, salvo en presas de poca altura (hasta 30 ó 40 m), en las que se suele preferir el paramento vertical por simplicidad constructiva y porque las razones expuestas operan mínimamente. En cuanto a la coronación, tiene un doble objeto: proporcionar un margen sobre el nivel máximo del embalse para aumentar la seguridad frente a eventuales sobreelevaciones imprevistas, vertidos o salpicaduras de olas, y servir de paso para personas o vehículos. La coronación suele consistir en un trapecio ODEF superpuesto al triángulo, suavizándose el ángulo F con una curva, en general. El ancho DE depende del uso de la coronación: para un paso peatonal pueden bastar 2 m, pero es aconsejable que pueda pasar un vehículo, al menos en una dirección, aunque de momento no haya camino en la otra ladera, pues algún día puede haberlo y, en todo caso, facilita el servicio de la presa, reparaciones, etc. Si hay camino, el ancho será de 3 a 3,50 m como mínimo, y casi el doble o más para circulación doble. La coronación puede aligerarse con voladizos; el E', aunque sea mínimo, es aconsejable para producir una línea de sombra, que refuerza la estética. El D' tiene menor valor estético, al estar del lado inundado, pero puede ser útil también como rompeolas, dándole una forma curva, para que el agua revierta al embalse. La coronación produce, además, un efecto estabilizador por estar en el lado aguas arriba y dar un momento opuesto al del empuje hidrostático. Pero este efecto es pequeño, en general, dada su desproporción con el resto del dique, cuando éste tiene cierta altura. Cuando la presa es vertedero, en la parte correspondiente a éste la sección se modifica sustancialmente para permitir el paso del agua: desaparece la parte superior del triángulo y la coronación, y se pone una curva rematando los taludes, para que el agua vierta sobre ella. Como consecuencia, los taludes pueden requerir un reajuste respecto a los de la sección completa para conservar la estabilidad a pesar del volumen suprimido en la parte superior. La continuidad del paso sobre coronación se consigue con un puente sobre el vertedero, con pilas intermedias si es necesario. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 Presa de La Baells. Barcelona. Río Llobregat. Vista general del puente del aliviadero de superficie. Presa de Amadorio. Alicante. Río Amadorio. Vista desde el interior del aliviadero de superficie. Detalle de compuertas Taintor, parte inferior de las vigas del puente sobre el aliviadero y del inicio del perfil Creager. Seguidamente se adjuntan las secciones tipo de la presa arco-gravedad de Pliego sobre el río del mismo nombre y de la presa de los Rodeos, sobre el Río Mula, ambas en Murcia: Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 3.2. EVOLUCIÓN DE LAS IDEAS SOBRE LA SUBPRESIÓN Como ya se dijo, las presas anteriores al siglo XIX se proyectaban por pura intuición. A partir de la mitad de ese siglo, las presas de gravedad se calculaban ya por medio de la Teoría de Resistencia de los Materiales, y se imponía la condición de que la resultante del peso y del empuje incidiera en el tercio central de la base (aparte de que no se sobrepasasen las tensiones admisibles y que no existiese peligro de deslizamiento), con objeto de que no hubiera tracciones en ningún punto del paramento mojado. Esta era la llamada regla de Rankine, y no se tenían en cuenta otras fuerzas. Así se siguió hasta que sucedió la rotura de la presa de Bouzey, en Francia (1895). Al analizar la rotura se vio que la causa había sido el agua que, penetrando en presión por las grietas, había actuado en forma de cuña, contrarrestando la acción del peso de la fábrica y trasladando la resultante fuera del tercio central de la base. Este hecho fue la iniciación de un conocimiento fundamental en la tecnología presística: estas estructuras, al estar en íntimo contacto con el agua, pueden ver alterado su equilibrio al actuar ésta no sólo por su empuje exterior, sino en cuña, desde dentro, creando un impulso ascensional Como vamos a ver, no sólo se tardó en caer en la cuenta de este efecto pernicioso del agua, sino que la evolución del conocimiento sobre la forma de actuar fue lenta, llena de empirismos, y hasta la década de 1930 con Terzaghi no se empezó a penetrar en la verdadera esencia del fenómeno (la subpresión, consecuencia de las presiones intersticiales como veremos); y aún transcurrió más de otra década hasta que fueron imponiéndose unas líneas básicas obtenidas de investigaciones de laboratorio y de la observación de las propias presas. La inmediata consecuencia de la rotura de la presa de Bouzey fue una circular ministerial francesa (1897, dos años después) que ordenaba, de una forma empírica y arbitraria, disminuir el peso específico de la fábrica en 100 kg/m3 en los cálculos, para tener en cuenta el efecto cuña del agua. Más racional y eficaz fue la intervención de Maurice Levy. En una comunicación a la Academia de Ciencias de Francia propone un criterio para proyectar las presas teniendo en cuenta este efecto. Puesto que el agua puede penetrar por una grieta y actuar en cuña, debe impedirse que la grieta se abra, y para ello, proyectarse la presa con la condición de que la compresión en cualquier punto del paramento aguas arriba sea igual o superior a la presión hidrostática en esa profundidad; así, incluso si se forma una grieta, el agua no podrá penetrar en ella y, si lo llegara a hacer inicialmente, su efecto quedaría compensado por la mayor compresión, y la grieta no progresaría ni la penetración del agua. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 La lógica del razonamiento le dio una gran difusión y empleo, que ha durado hasta los años cuarenta, aunque con las matizaciones que veremos. Ya antes de la rotura de Bouzey (1889) Alfeld y Kiel habían estudiado el efecto de una posible grieta, pero la menor intercomunicación que había entonces y quizá su misma anticipación restaron resonancia a sus trabajos. Más efectividad tuvieron los de Lieckjleld (1898), link (1910) y Kammuller (1929), que en esencia admitían la formación de una grieta, pero en vez de imponer la condición de compresión en el paramento, toleraban que se produjera dentro, en el borde interior de la grieta, para que ésta no progresara. Esto equivale a razonar como Levy, pero admitiendo que el agua penetre hasta un punto interior, lo que es menos exigente y da lugar a una presa de menor volumen. La posición del punto extremo de la grieta en el que se impone que el proceso se detenga puede fijarse a voluntad (dentro de ciertos límites) y se calcula la estabilidad de forma que se cumpla la condición de compresión en ese borde igual a la presión hidrostática a ese nivel. Al principio, la aplicación estricta del criterio de Levy llevó a construir presas excesivamente gruesas (suma de taludes 0,85 y más), pero la experiencia y la transmisión de las ideas alemanas hicieron ver que no era necesario tanto margen de seguridad, por lo que se fue aplicando Levy con un coeficiente reductor de la presión hidrostática y el consiguiente ahorro de material, pero con un empirismo que desvirtuaba el razonamiento de Levy, puesto que el coeficiente reductor se elegía arbitrariamente entre 0,5 y 1,00. 3.3. POROSIDAD DEL HORMIGÓN Las antiguas teorías partían del efecto del agua introducida en una grieta. Pero, no es necesario que se forme ésta para que el agua penetre en el hormigón, puesto que éste es un material poroso (algo menor del 6% con los medios actuales). Los poros no están aislados, sino unidos unos a otros, formando conductos por los que puede penetrar y circular el agua si se le da el tiempo necesario. Si sumergimos en el agua un volumen de grava y arena contenido en un cajón de madera, el agua rellenará pronto los huecos y establecerá en ellos la presión hidrostática (subpresión) correspondiente. Si a ese volumen de árido le añadimos cemento y le dejamos fraguar, tendremos un bloque de hormigón cuya única diferencia con el anterior árido es que parte de los huecos estarán rellenos de pasta, a su vez provista de otros conductos más estrechos, y que los contactos entre dos granos de grava o de arena no son sólo directos, sino que hay un aglomerante que los une. En resumen: la estructura interna es similar, salvo que la proporción de huecos ha bajado, y su tamaño ha disminuido hasta hacerse microscópico. Al sumergir el bloque en agua, ésta tardará más tiempo en penetrar que en el caso de áridos solos, pero dando un plazo suficiente, el hormigón acabará saturándose. En ese momento, en el espacio de huecos se establece la presión hidrostática, lo mismo que en los áridos sin cementar, según el principio de los vasos comunicantes y el de Pascal. Apuntamos, pues, una idea importante: no es necesario que exista una grieta para que el hormigón adquiera presiones internas; su propia estructura porosa conduce a ello, siempre que se dé tiempo al agua para saturarlo totalmente. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Aunque esta constitución del hormigón era conocida, se tardó en llegar a las lógicas consecuencias de aplicación en las presas. En las de materiales sueltos, en las que la filtración es evidente, el efecto de la presión intersticial fue mejor conocida que en las de fábrica. Por eso no es extraño que fuera Terzaghi quien realizara en 1934 una experiencia fundamental para aclarar estos mismos principios en las presas de hormigón. Terzaghi sometió a compresión triple probetas de hormigón introduciéndolas en agua y dando presión a ésta. La primera probeta la rodeó de una capa delgada y muy flexible (que no influía en la deformación) e impermeable. La probeta sufrió la deformación consiguiente a su estado tensional. Otra probeta igual, pero sin envoltura impermeable, se introdujo en el agua, dejándola en ella el tiempo necesario para alcanzar la saturación, y se llevó a la prensa con agua en presión, siempre sin envoltura. Al ser sometida a la misma compresión que la anterior, se observó que la deformación era inapreciable. La explicación es sencilla: al no haber envolvente impermeable y estar saturada la probeta, la presión exterior se comunica inmediatamente a todos los puntos del interior a través de los conductos llenos de agua, y entonces no es el conjunto de la probeta la que está sometida a compresión triple (como la impermeabilizada) sino cada uno de los elementos del hormigón; y como cada uno de éstos es mucho más rígido que el conjunto del hormigón (cuyos huecos permiten la deformación), la segunda probeta no se deforma apreciablemente. ENVOLTURA IMPERMEABLE FLEXIBLE A pesar de que este experimento se llevó a cabo en 1934, la técnica de las presas de hormigón tardó bastante en sacar las oportunas consecuencias. Incluso cuando Harza en 1947, publicó una amplia y razonada síntesis de lo que ya se conocía sobre este tema, hubo todavía algunos que mostraron seguir aferrados al empirismo anterior. El comportamiento de un hormigón saturado plantea problemas muy distintos de las anteriores teorías sobre la grieta. Un elemento sólido de hormigón saturado está sometido en toda su superficie a la presión del agua envolvente. En un prisma vertical AB de ese elemento, la diferencia de presión entre los puntos A y B es igual a su altura Δh = AB. La integral de las presiones elementales dará, pues, una resultante vertical hacia arriba igual al peso del volumen del líquido ocupado por el elemento sólido (Arquímedes). Cada elemento del hormigón (gravas, arenas, granos de cemento) está sometido, pues, a una boyancia por efecto de las presiones intersticiales. Así es como actúa la presión interior en todos los puntos de la masa (como las tensiones elásticas) sin necesidad de la formación de una grieta. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Esto se refiere a las presiones en estado de reposo; pero si el sólido se encuentra en suspensión en medio de un líquido en movimiento, la corriente lo contorneará y ejercerá sobre él una fuerza con dos componentes (vertical y horizontal) que se sumarán al empuje vertical de boyancia, dando una resultante ascendente o descendente, según los casos. La resistencia del sólido se traduce en una pérdida de carga. 3.4. RED DE CORRIENTE Cuando el agua filtra a través de un dique permeable de tierras, se forma en su interior una red ortogonal de líneas: las de corriente, que marcan las trayectorias de las partículas de agua, y las equipotenciales. El paso de la línea de corriente de una equipotencial a la siguiente señala la pérdida de carga producida en el recorrido por el rozamiento con las partículas sólidas. La línea de corriente superior es la línea de saturación; por debajo de ella todo el dique está sometido a presiones intersticiales; sobre ella no hay corriente, ni agua. A través del cuerpo de una presa de hormigón saturada se forma también una red de filtración; los taludes son más escarpados y la permeabilidad muy baja, pero los principios son los mismos. Al ser el hormigón muy poco permeable, el caudal filtrado es muy bajo y puede resultar inapreciable, por evaporarse inmediatamente a su salida. Sin embargo, hay causas que aceleran el proceso: las posibles grietas, las juntas de construcción, las zonas de defectuosa ejecución, son posibles vías de penetración del agua; pero, además, el hormigón tiene ya agua de origen por el amasado y curado. Por todo ello, el tiempo real puede ser menor que el teórico, por lo que es necesario tener en cuenta esta posibilidad, aunque tarde en producirse, y adoptar las medidas oportunas. Basta observar las presas antiguas sin sistema de drenaje controlador de filtraciones que, con raras excepciones, tienen mojado el paramento aguas abajo (y no sólo en las presas antiguas, sino en otras que no lo son). Las imágenes siguientes muestran la red de corriente en dos casos: con un cimiento de permeabilidad más o menos similar al del hormigón de la presa (A), y con un cimiento absolutamente impermeable (B). En el primero, las líneas de corriente se incurvan hacia abajo y, en consecuencia, la ley de presiones aoMob en la base de la presa es curva y convexa hacia arriba. (La presión MMo en un punto M debe ser igual a la ordenada M1M’ de la equipotencial MM’ que pasa por el punto M). En el caso B, las líneas de corriente son casi horizontales y la línea de presiones aob es prácticamente recta. Comparando A y B se ve que la llamada de filtración hacia el cimiento en A se traduce en un descenso de presión materializado en la diferencia entre la curva aoMob y la recta aob, aunque no es muy acusada, dada la poca curvatura aoMob. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 En una presa real las cosas ocurren de otra forma, gracias a los drenajes, pero este análisis sirva para hacer notar la necesidad de tomar precauciones para evitar que la presa esté saturada y llegue a formarse una red de filtración hasta el paramento, pues, como sabemos el agua que se filtra produce un esfuerzo de rozamiento en cada punto en una dirección tangente a la ldc y con una intensidad proporcional a la pérdida de carga, esto es, al gradiente. Luego el empuje no se ejerce en el paramento, sino a lo largo de las ldc, como señalan las flechas de las imágenes anteriores. 3.5. CONTROL DE LA SUBPRESIÓN Previamente, vamos a hacer un breve recordatorio de la definición del coeficiente de permeabilidad referido en el apartado anterior: La relación entre la velocidad de filtración y el gradiente hidráulico fue establecida por Darcy en 1856. Para ello realizó ensayos de filtración en un tubo de arena de sección Ω. La conservación del agua contenida en el interior de los poros lleva a establecer que la velocidad de filtración es constante a lo largo del tubo. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Darcy obtuvo que dicha velocidad de filtración resulta proporcional al gradiente aplicado: Ω = = . La constante de proporcionalidad K de la ley de Darcy recibe el nombre de coeficiente de permeabilidad y tiene dimensiones de velocidad (L/T). Aclarado lo anterior, indicar que la acción de la presión intersticial es inevitable en un plazo más o menos corto y se trata de un efecto de gran repercusión en la estabilidad, por lo que se hace absolutamente necesario tomar medidas para reducir y limitar su acción. Desde el punto de vista estricto de las presiones intersticiales, la presa ideal (ver imagen siguiente) estaría constituida por una zona A muy impermeable y otra B muy permeable, valor determinado por el coeficiente de permeabilidad K de cada una de ellas. Las líneas de corriente se refractarían en el contacto cd y caerían bruscamente por efecto de la succión de la zona drenante B. La ley de presiones en la base sería como la a'c'b, y tanto más débil en el tramo cb cuanto mayor fuera la relación KA/KB. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Ver imagen siguiente: La idea anterior sirve para acercarnos a la solución práctica: si en vez de una pantalla exterior, se dejan a una corta distancia del paramento una serie de pozos verticales equidistantes entre sí, las líneas de corriente serán atraídas hacia ellos, buscando el mínimo recorrido de filtración (máximo gradiente). En la figura siguiente se representa en planta el campo afectado por uno de los pozos. Las líneas de corriente 0, 1, 2 y 3, son desviadas hacia éste; las 4 y 5 sufren una ligera desviación por influencia de las anteriores, pero no llegan a encontrar el pozo, y siguen hasta el paramento agua abajo. En las líneas 0, 1, 2 y 3 la presión interna pasa de la máxima a cero (atmosférica) en una corta longitud, mientras que en las 4 y 5 ese descenso se hace en toda la longitud entre paramentos; como consecuencia, queda libre de presión el área rayada. No se ha conseguido suprimirla totalmente, pero sí reducirla. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 La figura siguiente representa la proyección de las leyes de presión a lo largo de las líneas 0, 1, 2, 3, 4 y 5. La integral de todas ellas dará una ley media equivalente abc por metro de ancho de la base parecida a la a'c'b de la figura anterior, con un descenso pronunciado ab desde el paramento al pozo y otro tramo bc más suave. Nótese la ganancia respecto a las leyes adc o aec que serían las normales sin drenaje. Si la distancia entre pozos fuera menor, podría llegarse a eliminar las líneas de escape 4 y 5 y conseguir que toda la base aguas abajo de los pozos quedara libre de presiones y la ley media resultante sería una entre las 0 y 3. La intensidad del drenaje depende del diámetro de los pozos, de la distancia entre ellos y de la distancia al paramento. El efecto de la figura (B) anterior se conseguiría con varias combinaciones de estas dimensiones, pero el resultado sería contrario a la resistencia, por excesiva proximidad de los pozos entre sí o al paramento. Se ha de decidir una solución de compromiso con pozos de menor diámetro y más distantes, de forma que la debilitación de la sección sea mínima. En realidad resulta mejor sacrificar el diámetro y no la distancia, y por ello, en la práctica, los pozos se sustituyen por drenes de diámetro relativamente reducido y a distancias moderadas, con una relación en general: á < 0,05 El diámetro de los drenes suele estar entre 7,5 y 20 cm. No debe bajarse del mínimo, porque el dren se obstruiría con facilidad; los diámetros más usados son los de 7,5 cm (3 pulgadas) y 10 ó 12,5 cm. Es raro sobrepasar este último, porque ya se dijo que es más efectiva la proximidad que el diámetro, y basta que éste sea el suficiente para que el dren no se obstruya. Los drenes pueden hacerse con un encofrado de tubo o perforándolos posteriormente; hoy día se prefiere esto último, que es más económico y también puede aplicarse cuando sea necesario aumentar el número de los ya existentes. Durante cada fase de construcción de la presa hay que tener cuidado de que los drenes parcialmente hechos queden tapados, para impedir que se obstruyan con papeles, tierra, piedras y demás desperdicios de la obra. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Los drenes de esos diámetros tienen la ventaja adicional de poder usarse, si fuera necesario, para inyectar la presa. En ese caso deben lavarse con agua limpia al terminar la inyección, antes de que fragüe ésta, para dejar el dren útil como tal, o para una inyección ulterior, sin necesidad de reperforarlo. La distancia entre ejes de drenes depende del caso. Una distancia normal son 3 m; más, disminuiría mucho el efecto del drenado. Cuando se precisa un drenaje intenso —más normalmente por causa de la cimentación— puede reducirse a 2 m o incluso a menos; es excepcional llegar a 1 m y más aún bajar de esta distancia, y cuando ocurre suele limitarse a zonas muy concretas de roca débil. Lo normal es poner los drenes a 3 m y luego, si las condiciones lo aconsejan, se intercalan otros por perforación. En los casos en que se conozca de antemano la necesidad de un drenaje más intenso, en general, o en zonas concretas, se da inicialmente una distancia menor, por ejemplo, 2 m ó 2,50 m. La disposición en planta suele ser la que venimos suponiendo, esto es, en un plano vertical, pero también se ponen a veces en dos paralelos a corta distancia (del orden de 1 m) y entonces se suelen colocar al tresbolillo, esto es, formando triángulos en planta. La doble fila suele estar indicada cuando la distancia entre drenes es bastante menor que la normal. Los drenes deben prolongarse bastante en la roca, llegando en algunos casos hasta una profundidad igual a la altura de la presa y como mínimo un 15 % de ella. Así se drena todo el apoyo de la presa y se asegura su estabilidad. Es rechazable interrumpir los drenes en la galería inferior pues se deja de tratar la parte más interesante, que es el cimiento. Los drenes pueden acabar todos en la misma profundidad o hacer los intermedios con profundidad menor, en series alternadas de dos o tres. El plano de drenes se suele colocar a una distancia de ~ 1,50 m del paramento aguas arriba en la coronación. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 En la figura siguiente puede verse que los drenes se completan en la roca con un rastrillo de inyecciones situado inmediatamente aguas arriba de aquéllos. El objeto es el mismo que hemos indicado al principio de este capítulo: crear una zona impermeable para dificultar el paso de agua y detrás un drenaje para atraer la que, a pesar de ello, pudiera haberse filtrado, impidiendo presiones internas elevadas. Indicar también que por medio de los drenes también se puede medir la subpresión. Basta colocar un manómetro en la boca superior con un tapón roscado que cierre perfectamente. Así podemos comprobar si las hipótesis de subpresión hechas en el proyecto son correctas. Las mediciones han de hacerse con los otros drenes sin tapar, para que funcionen normalmente, y se obtenga la presión en el dren observado en condiciones semejantes a las de funcionamiento. Esta forma de medir exige una aclaración sobre la manera de funcionar los drenes inferiores. Estos tienen que desaguar las filtraciones por arriba, como es lógico. La galería inferior suele desaguar por gravedad, a cuyo fin se pone normalmente por encima del máximo nivel normal del agua aguas abajo de la presa (en circunstancias breves y extraordinarias puede admitirse la inundación de la galería inferior). Pero, en algunos casos en que se necesita un intenso drenaje, la galería inferior puede estar más baja que el nivel del agua a la salida, precisándose entonces bombas. Seguidamente se adjuntan una serie de fotografías de redes interiores de drenes de diferentes presas: Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Drenes en interior de la Presa de Guadalest. Alicante. Río Guadalest Tuberías para recogida de filtraciones en clave de galerías y su derivación a canaleta de superficie en interior de la Presa de Guadalest. Alicante. Río Guadalest Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Control de caudal de filtración mediante vertederos Thompson en interior de la Presa de Guadalest. Alicante. Río Guadalest Control de presiones intersticiales en drenes inferiores de la Presa de Beniarrés. Alicante. Río Serpis. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 4. ESTABILIDAD AL VUELCO Y AL DESLIZAMIENTO Una presa tiene que cumplir fundamentalmente, estas dos condiciones: - Ser estable, esto es que, como conjunto, esté en equilibrio. - Ser resistente, es decir, que en ningún punto pueda romperse. La primera exige que el sistema de fuerzas a las que está sometida (acciones exteriores y reacciones del terreno) esté en equilibrio. La segunda que el material sea capaz de soportar, con el coeficiente de seguridad exigible, las máximas tensiones que se produzcan. Podríamos sintetizar más vulgarmente estas dos condiciones diciendo que la presa no debe moverse en su conjunto, ni romperse en ningún punto. En este capítulo estudiaremos la primera de las condiciones. 4.1. CONDICIONES GENERALES DE EQUILIBRIO Para que un cuerpo esté en equilibrio, el sistema de fuerzas que actúa sobre él debe dar proyecciones nulas sobre cada uno de los ejes y momentos nulos respecto a estos ejes. 4.1.1. Estabilidad vertical Las componentes verticales son las que siguen: - El peso propio. - La componente vertical del empuje del agua. - La subpresión. - La reacción vertical del cimiento. Las dos primeras son activas y dirigidas hacia abajo; las dos últimas van dirigidas hacia arriba: la subpresión es activa y la cuarta es pasiva (resistente). En las situaciones accidentales se añade la componente vertical del sismo, que va hacia arriba en su efecto más desfavorable. En cualquier caso, la condición de equilibrio exige que la reacción del terreno contrarreste las componentes verticales. Por lo tanto, no se trata de un problema de estabilidad propiamente dicho, sino de resistencia del cimiento. (La presa no puede «caer»; si el cimiento asienta, acabará deteniéndose). 4.1.2. Estabilidad al vuelco Viene expresada por el equilibrio de momentos. Una presa arco, como trabaja como un conjunto, está apoyada en todo su borde en el terreno, por lo que su estabilidad al vuelco no es cuestión, por tanto, supuesta la debida resistencia del terreno de apoyo. En una presa de gravedad, en cambio, el vuelco sería posible aunque el cimiento fuera resistente. Efectivamente, una presa de gravedad sí podría hacerlo si la resultante R de las fuerzas cayera fuera de la base AB. Para que no ocurra, el momento M del conjunto de fuerzas activas respecto a B debe ser negativo, para dar lugar a una reacción dentro de la base. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Pero, a estas presas se les exige que no tengan tracciones, lo que equivale a imponer que la resultante incida en el tercio central de la base, condición mucho más estricta que la de vuelco pivotando sobre B. De nuevo la estabilidad se convierte en resistencia, tanto en presas bóveda como en las de gravedad, aunque por motivos diferentes. Sin embargo, se suele llamar estabilidad al vuelco a esta condición de ausencia de tracciones, y la adoptaremos, porque es bastante usual, a pesar de su impropiedad. En una rebanada de ancho unidad (1 m), si M es el momento resultante de las fuerzas activas (E, P, y S, es decir, sin la reacción del cimiento) respecto al centro O de la base, V la suma de las componentes verticales (=P-S), «a» el ancho de la base, las tensiones en los extremos de ésta, supuesta deformación plana, son: = ± 6 La condición de no tracción en A es: ≥ 6 4.1.3. Estabilidad al deslizamiento Una presa, sea bóveda o gravedad, está sometida a esfuerzos tangenciales al cimiento o apoyo que tienden a producir su deslizamiento, circunstancia que hay que comprobar por ser muy importante. El artículo 39 de la Instrucción, que está dedicado a este asunto, dice: Art. 39.1: En las presas de fábrica se comprobará la estabilidad frente al posible deslizamiento según superficies que corten al terreno, incluyendo aquellos en contacto con la presa y sean desfavorables a dicho efecto. Se justificará en cada caso: a) que se ha comprobado la seguridad frente al deslizamiento según las superficies más desfavorables, b) que, antes de iniciarse el deslizamiento, se transmiten las fuerzas a todo el terreno que se considere afectado por aquel, y c) que se han previsto las medidas necesarias para garantizar durante la vida de la presa la permanencia de los terrenos que se oponen al deslizamiento. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Art. 39.2: En las situaciones normales A1 y A2 se comprobará que las fuerzas que tienden a producir el deslizamiento, según las superficies consideradas, son inferiores a las fuerzas que se oponen a aquel, calculadas éstas con una minoración de 1,5 para los coeficientes de rozamiento, y de 5 para las cohesiones determinadas según dichas superficies. Art. 39.3: En las situaciones accidentales B11, B21, B22 y B23 se comprobará la estabilidad frente al deslizamiento con unos factores de minoración iguales a 1,2 y 4 para los coeficientes de rozamiento y cohesión, respectivamente. Respecto al artículo 39.1 c), no basta que las condiciones actuales aseguren la estabilidad, sino que hay que prever las posibles modificaciones del estado de la cimentación en el curso del tiempo. Estas pueden depender de muchas causas: meteorización, ataque químico, derrumbamientos, erosión, etc. 4.2. FÓRMULA DE LA ESTABILIDAD AL DESLIZAMIENTO Una presa de gravedad está sometida fundamentalmente al empuje hidrostático, cuya componente predominante es horizontal y actúa, por lo tanto, paralela a la base. Parece que vuelve a plantearse el problema como una resistencia al esfuerzo cortante, pero no es del todo así, porque además de la cohesión actúa el rozamiento y con efecto mucho mayor, pues la cohesión de la roca es su punto más débil y, como se verá, incluso se prescinde de ella en algunas hipótesis. La actuación predominante o exclusiva del rozamiento hace que el planteamiento sea fundamentalmente estático. Adelantemos que es, en general, el aspecto más delicado de una presa de gravedad. En una bóveda también se presenta este problema por razones similares, aunque con menor importancia, salvo cuando los estribos están diaclasados o con juntas débiles con orientaciones desfavorables. Sea R la resultante y AA’ la sección considerada. Descompuesta R en sus componentes normal (N) y Tangencial (T). Sabemos que la componente normal N produce una resistencia al rozamiento N.tg (=ángulo de rozamiento entre las superficies cuyo contacto es AA’). Además, a lo largo de AA’ habrá una cohesión unitaria c (resistencia al esfuerzo cortante, fuerza/superficie), y, en total, si la superficie de AA’ es S, el esfuerzo resistente debido a la cohesión es c.S. Como la fuerza que tiende a producir deslizamiento es T, la condición de estabilidad exige que la suma de fuerzas resistentes sea mayor que la fuerza actuante, esto es: < Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 ∙ + . PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Para cumplir con amplitud habría que poner un coeficiente de seguridad, y así es, pero con un matiz: la Instrucción (art. 39) pone dos coeficientes de seguridad distintos K1 y K2 para los dos sumandos del 2º miembro. Vamos a ver las razones. a) El ángulo se puede medir o, por lo menos, estimar relativamente bien por la experiencia de lo medido en otras obras con materiales análogos, ya que sólo depende de la clase de materiales puestos en contacto. b) Pero, además, el rozamiento actúa siempre, aunque la superficie de contacto esté agrietada o rota. Y es independiente de la magnitud de la zona puesta en contacto. Siempre que exista éste en alguna zona de la superficie y actúe la fuerza normal N, se produce la resistencia N.tgφ. c) Por ambas cualidades no es necesario dar un coeficiente de seguridad importante a N.tg, bastando K1=1,5 en las situaciones normales, e incluso K1=1,2 en las situaciones accidentales. d) En cambio, la cohesión es muy dudosa. Como entre las superficies de posible deslizamiento hay que considerar la de contacto roca-hormigón y otras a través de la roca, la cohesión no se conoce bien y es difícil de medir, pues una probeta de la matriz de la roca no es igual que la roca misma, que está debilitada por diaclasas y juntas de estratificación. La dificultad de conocer y las dudas sobre su garantía hacen que la Instrucción exija un coeficiente K2=5 para las situaciones normales y K2=4 en las accidentales. Esto, claro está, después de tomar para c el menor de los valores que creamos garantizado. De esa forma, resumiendo, lo que dice la Instrucción es que en toda superficie plana ensayada al deslizamiento debe verificarse: ≤( ∙ / )+( . / ) Situaciones normales: K1=1,5 ; K2=5 Situaciones accidentales: K1=1,2 ; K2=4 Obsérvese que los dos coeficientes para situaciones normales son un 30% de los correspondientes a accidentales. Hay que tantear varias superficies de posible deslizamiento, y ver la más desfavorable. Siendo la componente principal del empuje hidrostático la horizontal, se intuye que las líneas de deslizamiento próximas a la horizontal deben ser las más peligrosas. Una de ellas es la junta entre presa y roca, su comprobación es ineludible. Otras superficies desfavorables pueden estar por debajo de ese contacto cortando sólo roca. Las superficies a considerar pueden ser totalmente planas, o formadas por dos planos, o curvas. En roca lo más frecuente es ensayar planos simples de rotura. Es muy importante tener en cuenta la estructura de ésta. Si es estratificada, hay que ensayar superficies paralelas a estratos o diaclasas, pues son las roturas más probables. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Hay que tener en cuenta que detrás de la presa va a haber agua por lo que las filtraciones pueden afectar al ángulo y a la cohesión c, particularmente si las diaclasas están rellenas de un material más o menos arcilloso. En este caso, de no estar seguros de que ese material no va a estar mojado, hay que tomar y c con sus valores para material mojado, que pueden ser muy bajos Si queremos contar con la colaboración resistente del empuje pasivo, no hay más remedio que hundir la cimentación de la presa unos metros en roca buena, y hormigonar la base de la presa, hasta el contacto con la roca. Obsérvese que el ensayar una línea quebrada como la DEF de la imagen anterior equivale a ensayar DE añadiendo el efecto resistente del empuje pasivo debido a la cuña EF. Entonces cabe aplicar la ecuación a la superficie DE añadiendo dicho empuje pasivo, teniéndose que cumplir: <( ∙ / )+( . )/ )+ siendo Tpas la parte de T que se absorbería por el empuje pasivo de la cuña E'EF, calculada a su vez con los coeficientes K1 y K2. Hay que asegurarse de que antes de iniciarse el deslizamiento actúa toda la zona del terreno considerada. Por ejemplo, no se puede suponer que colabora el empuje pasivo Tpas si el pie D de la presa está separado del pie D’ de la excavación, pues antes de que se moviese la cuña D'E'E la presa habría deslizado ya. En la figura siguiente se ha forzado a propósito la separación para mayor claridad, pero aunque D y D' estuvieran confundidos, podría deslizar la presa antes de trabajar D'E'E si el contacto es débil y la roca es más deformable que el hormigón. Y menos debe engañar el que el espacio entre ambos esté relleno de escombros, que son muy deformables. NO Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Se aconseja como buena práctica constructiva dejar un zócalo, hormigonando la parte baja de la presa contra el talud de roca buena y sana y no por medio de un encofrado inclinado. (Ver secciones transversales tipo de las presas de Pliego y Los Rodeos). Y esto aunque la profundidad de la excavación sea poco importante y el empuje pasivo sea casi despreciable. Pero en algunos casos, cuando el espesor de roca afectado es importante, puede serlo también la colaboración de la roca por su empuje pasivo y en este caso, no sólo es una buena práctica, sino conveniente para la estabilidad. Para asegurar esta colaboración no basta con hormigonar pues el contacto puede tener cierto hueco que aunque invisible, podría absorber una parte del movimiento de la presa antes de que la roca se deformara, con lo que se retardaría el efecto resistente de ésta. Para evitarlo, hay que inyectar la junta para asegurar el relleno de los huecos e incluso para lograr una cierta presión inicial sobre la roca. Otra observación importante, se refiere al otro extremo de la base: la parte aguas arriba. Una mala práctica era construir un rastrillo agua arriba con el argumento de que servía para alargar el camino de filtración y ayudar a la estabilidad afectando a una cuña de terreno más profunda, lo que mejora los sumandos de la ecuación. Pero, la realidad es que la base MN del rastrillo es incapaz de resistir la flexión y esfuerzo cortante necesarios para transmitir a la cuña ANB el empuje correspondiente; como consecuencia, la base MN se agrieta y cesa su presunto efecto resistente, e incluso su impermeabilidad. Lo deseable es hacer una base de cimentación inclinada como la ABD de la figura siguiente, con lo que la junta de contacto da una componente opuesta al empuje y, además, cualquier otra superficie de deslizamiento en la roca afecta a una superficie mayor y a un peso adicional. Con una inclinación moderada ya se notan esos efectos. Si la base en contrapendiente es muy ancha puede llevar a un exceso de volumen; en ese caso puede disminuirse, prácticamente con el mismo efecto, haciendo un rastrillo como el ABC con una amplia base, con ángulos suaves (no menores de 135°), con lo que puede contarse con su resistencia; por supuesto, hay que comprobar ésta en cualquier caso. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 La excavación agua arriba debe dejarse con un pequeño zócalo, rellenando el resto si fuera posible, con arcilla. Esta es flexible e impermeable. 4.3. FORMAS DE MEJORAR LA ESTABILIDAD AL DESLIZAMIENTO En el apartado anterior se ha hecho un estudio analítico sobre la estabilidad tomando como modelo una presa de gravedad con base horizontal, y se ha visto cómo influyen los distintos parámetros y más concretamente el rozamiento y la cohesión, que cuando bajan de ciertos límites obligan a reforzar las dimensiones sobre las normales. Si las presas se asentasen siempre sobre una roca de calidad y uniforme, poco tendríamos que añadir a lo dicho allí; pero lo más normal es que la cimentación sea heterogénea, con fisuras y planos con coeficientes resistentes más bajos que los del hormigón, con la consiguiente influencia en las dimensiones y en la estabilidad. Por otra parte, aunque la base suele ser próxima a la horizontal, la desviación respecto a ella influye en la incidencia de la resultante y, por consiguiente, en la resistencia por rozamiento. Y, por último, si bien la superficie de contacto roca-hormigón es, en principio, crítica y debe comprobarse siempre, puede haber otras más profundas y peligrosas. Por todo ello, las consecuencias teóricas y genéricas del anterior apartado requieren un complemento de aplicaciones prácticas que es el objeto de éste. Es obvio, que todo lo que mejora la inecuación T( N.tg / K1)+(c.S / K2), es favorable a la estabilidad. Las mejoras pueden consistir en: - Disminuir T. - Aumentar N. - Aumentar S. - Aumentar . - Aumentar c. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 4.3.1. Cimentación en contrapendiente: Aumento de N y disminución de T La mejora del ángulo de incidencia de la resultante con la base repercute muy favorablemente en la estabilidad, sobre todo cuando el ángulo φ de la roca es bajo. Una de las superficies críticas es la junta de cimiento AB. Al bajar el talón A hasta C se mejora la incidencia en esa junta (menor T y mayor N) y se añade el peso ACB. Aunque, bien es cierto, el empuje hidrostático aumenta en la parte AC, pues siempre hay que tomarlo hasta el punto más bajo de la cimentación. La profundización del cimiento tiene otro efecto positivo: la contribución a la resistencia de un paquete de roca de mayor espesor, con el consiguiente peso estabilizador, aumento de las superficies de los presuntos planos de deslizamiento e incremento de la resistencia pasiva del terreno, efectos todos que pueden tener gran importancia. 4.3.2. Influencia del talud aguas arriba El prisma de agua sobre un paramento inclinado contribuye a un aumento de la estabilidad al deslizamiento por el incremento del eso vertical, pero, con la contrapartida de una menor estabilidad al vuelco, por lo que, en general, las presas macizas suelen tener un talud aguas arriba próximo al vertical. Pero cuando la cimentación presenta diaclasas o planos de estratificación subhorizontales con material de relleno de bajo rozamiento y cohesión, esta circunstancia prima sobre las otras y puede aconsejar acudir a un paramento inclinado aguas arriba o un talud quebrado para disponer de un peso que, de otra forma, habría de obtenerse con hormigón, por una razón similar a la que lleva a hacerlo en las presas aligeradas. Al inclinar el paramento hay que aumentar un poco el ancho de la base para cumplir la condición de vuelco, pero ese aumento es pequeño y mucho menor que el que sería necesario para conseguir el mismo peso con hormigón y un talud mojado normal. 4.3.3. Control de la subpresión La presión intersticial produce una fuerza normal a la sección contraria a N; como consecuencia tenemos una resultante R más inclinada que la R´ que resultaría si no existiese la presión intersticial. Suponiendo que ésta sólo da componente normal (puede dar tangencial pero es muy pequeña), refuerza T, por lo que suprimirla también favorecerá la estabilidad. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Pi R’ N’ N ’ R T ’ De aquí el gran interés de controlar la subpresión y reducirla al mínimo posible, pues equivale a añadir peso a la estructura. En este aspecto es parecido al efecto del talud agua arriba, sólo que con este añadimos peso de agua y con el drenaje quitamos peso negativo. Aparte de este efecto, con un buen sistema de impermeabilización y drenaje podemos conseguir la protección de alguna zona contra la presencia de agua para evitar que, al mojarse el terreno, disminuya su y su c. 4.3.4. Aumento de S mediante el uso de rastrillos Se puede lograr este aumento obligando a que las posibles superficies de deslizamiento sean más profundas. Eso se puede conseguir hundiendo más el talón agua arriba o con un rastrillo. Al forzar ese punto en profundidad se alarga S, al mismo tiempo que mejoran N y T. En algunos casos puede ser útil otro rastrillo aguas abajo que al profundizar, aumenta la cuña del empuje pasivo. Esto puede ser importante también en los casos de presas vertedero. El rastrillo agua abajo asegura que la presa no puede ser descalzada demasiado por la erosión. 4.3.5. Tratamientos especiales Un relleno arenoso o limoso puede tener aceptable, pero c nula; un relleno arcilloso mojado tendrá tanto como c muy bajas; en estos casos extremos hay tratamientos especiales que permiten sustituir el relleno por mortero de cemento. Consisten en principio en lo siguiente: se traza una cuadrícula sobre la superficie a tratar; de esa cuadrícula se decide qué proporción va a tratarse, uno sí y otro no, en diagonales o cualquier otro sistema. Cada cuadrado se trata individualmente. Se hacen, por ejemplo, 9 taladros con una profundidad algo mayor del espesor de cimentación a tratar. Entonces se inyecta agua a presión por uno de los agujeros, tapando todos menos los otros adyacentes; el agua va lavando el relleno, que sale mezclado con ella hasta que el agua sale limpia. A continuación, se repite el juego con otro agujero y así sucesivamente, hasta dejar lavado todo el volumen afectado por el cuadrado y la profundidad de los taladros. Ya limpio de relleno, se inyecta lechada o mortero siguiendo un sistema parecido al de la limpieza, hasta que el terreno no admita más. Otro método indirecto de mejorar y c es disponer de un enérgico dispositivo de inyección y drenaje para evitar que el terreno se moje en ciertas zonas. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 5. EXCAVACIONES Y CIMIENTOS 5.1. INTRODUCCIÓN. La excavación para una presa no es una operación de mera eliminación de una parte del terreno, sino una obra positiva importante que tiene por objeto dejarlo con la forma y condiciones requeridas por la estabilidad y resistencia: su fin es la adecuada cimentación de la presa. En otras obras, como carreteras, explanaciones, etc, la excavación es en cierto modo un objeto en sí misma y se le exige sólo unas formas geométricas y dimensiones, y unas mínimas condiciones de autoestabilidad. En una presa, la excavación está subordinada a su cimentación, lo que impone un cuidado especial en formas, dimensiones y calidad de las superficies finales. Por otra parte, los excesos de excavación son doblemente onerosos, porque al coste de la sobreexcavación se añade el del material suplementario de la presa. La importancia cualitativa y cuantitativa de las excavaciones es más notable en las presas de hormigón que en las de materiales sueltos, porque exigen mayor calidad y resistencia en los cimientos. El terreno en el que va a asentarse la presa ha sufrido en el curso de su formación diversos procesos geológicos y meteorológicos que han ido dejando su huella en su estado tensional. Es sabido que en un macizo ideal, homogéneo e isótropo, con superficie horizontal, el estado tensional es hidrostático, esto es, que las tensiones alrededor de un punto son iguales a z.Ƴ (con, z= profundidad, Ƴ= peso específico): la superficie definidora es una esfera. Pero, ese estado tensional se da muy raramente y sólo, en general a grandes profundidades, en las que los procesos actuantes han llegado muy amortiguados o han sido superados por el peso de la masa superior. Lo normal es que los terrenos sean sedimentarios, plegados o de origen volcánico: los primeros con fuerte anisotropía en una orientación, los segundos aún más acusada y variable en dirección, y los últimos con tensiones residuales internas de origen térmico. La anisotropía y la heterogeneidad son frecuentes, sobre todo en la zona superior, que es la que interesa para cimentar la presa. A las tensiones originales se une el efecto producido por la erosión y la meteorización, que da lugar a una cerrada distinta a la original, con la consecuencia de que en la nueva superficie la tensión normal a ella ha de ser nula (la atmosférica), introduciendo una nueva distorsión. El reajuste superficial se transmite hasta una cierta profundidad, siendo máxima la disparidad entre tensiones normales y paralelas en la zona más próxima a la superficie y, por tanto, los esfuerzos cortantes, proporcionales a la diferencia entre las tensiones principales. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 5.2. ESTADO TENSIONAL DEL TERRENO NATURAL. Para explicar este concepto, empezaremos por considerar el caso más simple: roca homogénea e isótropa en un valle formado exclusivamente por erosión. Tendremos una serie de zonas, con los siguientes estados tensionales: A)- Zona fuertemente descomprimida (superficial). Fuerte desigualdad de tensiones principales y elevado valor de los esfuerzos cortantes. Si éstos superan la resistencia de la roca, ésta se agrietará según dos direcciones normales entre sí. La meteorización, facilitada por la penetración de agua, aire o hielo por las fisuras, agravará el proceso y la debilidad de la roca en esa zona. B)- Zona de descompresión inicial (intermedia). Las tensiones principales se aproximan más, pero dan aún unos esfuerzos cortantes que se acercan (por debajo) al límite resistente. La roca no llega a fisurarse, pero cualquier cambio en su estado tensional puede producir el agrietamiento. C)- Zona inalterada o poco alterada (profunda). Las dos tensiones principales no son muy diferentes y dan esfuerzos cortantes moderados muy lejanos a la rotura. La roca está entera. A cierta profundidad, se llega al estado tensional hidrostático primitivo. Esta repartición por zonas es conceptual; en realidad la cosa es más compleja porque: - La roca no suele ser homogénea, lo que hace que en los sitios en que es más débil, el espesor de la zona de fisuras aumenta y, a la inversa, si es más fuerte. - Tampoco suele ser isótropa, lo que conduce a que las direcciones de fisuración no coincidan con las bisectrices de las tensiones principales. - Hemos supuesto la horizontalidad del terreno, lo que no es un caso general. - Además, tampoco el estado inicial del terreno es siempre el hidrostático, pues en una gran parte de los casos su formación geológica lo ha distorsionado. - Otro efecto que se puede dar, y se observa en laderas con talud muy encrespado, es el agrietamiento por tracción. El peso propio produce un asiento; al estar libre de coacción exterior contra la deformación lateral, la roca tiende a esponjarse hacia el valle y, consiguientemente, el estado tensional no sólo presenta compresiones variables alrededor de algunos puntos, sino incluso tracciones. El resultado puede ser un agrietamiento superficial más o menos vertical y profundo y, eventualmente, hasta una caída o inestabilidad de los bloques exteriores que quedan separados del borde del macizo por una o varias grietas. La zona más exterior, fuertemente descomprimida y fisurada, se aprecia a simple vista no sólo por las grietas sino, en general, por su color, que suele ser distinto del de la roca subyacente, debido a la meteorización y a la suciedad que deja el agua que filtra por las fisuras. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Sigue a ella otra zona con microfisuras que pueden no ser visibles, e incluso no detectables con prospección sísmica, pero que suponen una rotura real de la roca. El conjunto de ambas zonas suele tener de 3 a 10 m. de espesor, siendo más frecuentes los valores intermedios y en general superando los 5 m. 5.3. PROFUNDIDAD DE EXCAVACIÓN Ni que decir tiene, que no se debe cimentar una presa de hormigón en la zona descomprimida. Y, aunque menos espectacularmente fisurada, la de microfisuras es también zona de menor resistencia y por ello poco apta para recibir las fuertes cargas que le transmitirá la presa. En presas de cierta importancia o en los casos en que las diferencias de deformabilidad entre presa y roca hagan prever fuertes cargas puntuales en ésta que excedan su capacidad de resistencia, puede ser necesario conocer las cargas reales sobre el cimiento acudiendo a modelos mecánicos o el método de elementos finitos. En la mayor parte de los casos se prescinde de tal comprobación y se admite la distribución lineal. La admisión de estas hipótesis presupone que cimentemos en roca sana y resistente, para que ésta tenga margen de resistencia suficiente para absorber el exceso de carga real respecto a la que resulta de tal simplificación. En la imposibilidad de conocer exactamente el espesor de la zona microfisurada, lo que se hace es penetrar unos metros en la roca aparentemente buena, después de quitada la parte superficial claramente descomprimida y meteorizada. No es posible dar reglas exactas. Por dar una idea, diremos que no menos del 5% de la altura de la presa y, en general, un mínimo de 4 m. para presas de más de 50 m. En presas menores, si la roca es buena, puede bajarse algo, pero no menos del 10% de la altura, ni menos de 2 m. Todo ello sin contar la zona francamente meteorizada. Es preferible y aconsejable, sustituir la roca por hormigón coherente y uniforme en todo el espesor en el que está aparentemente mal o presumamos su microfisuración ya realizada o próxima. Una regla práctica de comprobación global aproximada que solo vale para establecer el mínimo: estadísticamente se ha comprobado que las excavaciones de una presa suelen dar un volumen total de por lo menos un tercio del volumen total de hormigón y, más frecuentemente, el 40 o 50%. 5.4. CIMENTACIÓN EN PERFIL TRANSVERSAL DE LA PRESA Conviene que la superficie de cimentación tenga una cierta pendiente buzando hacia aguas arriba para mejorar la estabilidad al deslizamiento. Salvo algunos casos, en que ésta viene fijada por las condiciones de estabilidad, en general es suficiente un 5%. Cabe también hacer un tramo horizontal agua arriba y otro inclinado agua abajo, con lo que conseguimos una pendiente media semejante a efectos de estabilidad que con un plano continuo, pero ahorramos obra. (Ej.- La presa de Los Rodeos con un tramo horizontal seguido aguas debajo de uno al 10%---media=5%. Ver imagen en página siguiente). Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 En la roca, los ángulos vivos, además de concentrar esfuerzos y dar tracciones, la dejan más débil y probablemente agrietada, lo que corrobora la necesidad de suavizar las uniones de las superficies del cimiento. También conviene rematar el talud agua abajo con un repié horizontal, hormigonándolo contra la roca sana, con objeto de unir mejor con ésta y poder contar, eventualmente con su resistencia pasiva. Por otra parte, la superficie de apoyo debe ser amplia, para disminuir las cargas sobre la roca en esa zona. Seguidamente se adjunta una imagen de la ejecución en bloques de la Presa del Cenajo: Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 5.5. CIMENTACIONES EN ROCA FRACTURADA En casos muy extremos, con roca muy rota, lo aconsejable será hacer una presa de materiales sueltos, que evidentemente permiten ese cimiento, más consistente que la propia presa. Incluso con roca buena, hoy día suele ser más económica una presa de materiales sueltos que una de gravedad, luego con cimiento defectuoso lo será casi con certeza. Una presa bóveda, cuando es factible, puede ser más barata que la de materiales sueltos, pero requiere unas condiciones mínimas de cimentación, más exigentes que la de gravedad, luego tampoco será apropiada con roca fracturada en profundidad. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Sin embargo, pueden darse casos en los que a pesar de las malas condiciones de la roca, haya que cimentar en ella una presa de fábrica; en estos casos es obvio que no podemos llegar a la roca fisurada y hemos de resolver el problema de la cimentación con criterios distintos a los expuestos hasta ahora. La necesidad de llegar a roca entera venía determinada por las cargas que una presa de fábrica transmite al terreno. Luego si éste es defectuoso, será preciso que las cargas que inciden sobre él tengan el límite que impone su menor resistencia. Esto se puede conseguir: 1.- Con zócalos o ensanches en la base de la presa, que repartan las cargas en una mayor superficie o incluso con mayor uniformidad. 2.- Cambiando la forma o dimensiones de la presa para que las cargas sean menores o mejor repartidas. Por ejemplo, aumentando los taludes en una presa de gravedad, tensiones, o modificando las curvaturas y espesores un una bóveda. En cualquier caso, será preciso profundizar la cimentación más de lo normal, y no para tener roca buena, sino para quitar la peor y, sobre todo, para lograr un cierto “anclaje” en el terreno. Una cimentación profunda, aún en terreno fracturado, tiene la ventaja de hacer trabajar por empuje pasivo la cuña de terreno agua abajo. Es condición indispensable hormigonar contra el terreno excavado e inyectar posteriormente el contacto para asegurar el trabajo simultáneo de la base de la presa y la roca agua abajo. Con la profundización se mejora la estabilidad al deslizamiento, al aumentar el peso de la propia presa y añadirle el de la roca que habría de moverse agua abajo para poder deslizar. 5.6. FORMA DE DEJAR LA SUPERFICIE DE LA ROCA La superficie de unión entre presa y roca debe ser sensiblemente plana o compuesta de varios planos con ángulos suaves; pero conviene que sea rugosa y áspera, sin forzarla. Así se consigue una mayor trabazón con el hormigón y una mejor resistencia al esfuerzo cortante en la superficie de contacto. Es preferible tratar la roca de forma que rompa según sus planos de fractura naturales; y si deja un dentado, que sea menudo y espontáneo. Aunque la fractura natural de la roca deje ángulos vivos no importa, porque serán resistentes; lo esencial es que sean poco profundos, pues lo contrario es lo que debilita la roca. Las excavaciones se hacen con explosivo. Este no debe ser muy rompedor, sobre todo en la última operación de refino. Si utilizamos mucho explosivo, destrozamos mucho la roca: esto es bueno para excavaciones grandes; pero cuando nos acercamos a la cimentación definitiva de la presa hay que tener cuidado, pues la roca no debe quedar deteriorada. En cualquier caso, los retoques finales hay que hacerlos con poco explosivo y, desde luego, acabar quitando con barra la parte fracturada. Después hay que lavar la roca con chorro de agua para que quede entera y limpia. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Es muy recomendable dejar consignadas todas estas condiciones de la cimentación en los planos de obra. 5.7. CIMENTACIÓN EN PERFIL LONGITUDINAL Las presas de fábrica se hormigonan por bloques separados verticales, incluso las de tipo bóveda. Estos bloques suelen tener un ancho de unos 15 m. De esta forma se evita sean afectados por la retracción. Se puede llegar a 18 o 20 m., pero es excepcional. También se llega a 10 o 12 m., pero sólo a veces, en ciertas zonas y no en toda la presa, salvo en algunas de corta altura. En presas de contrafuertes el bloque es un contrafuerte entero con sus cabezas. Lo ideal sería que cada bloque se asentase en una superficie horizontal, porque de esta forma se hormigonaría con más comodidad y, además, así resultaría una altura uniforme en todo él, y una de formación uniforme, tanto por su propio peso como al ser sometido al empuje hidrostático. Es aconsejable que la superficie de asiento sea sensiblemente horizontal en dirección paralela a la coronación. Esa condición es fácil de conseguir en los bloques de la parte baja, pero en los que se asientan en las laderas puede presentar dificultades. Cuando las laderas son suaves, basta dar una pendiente de 10-15% al asiento de los bloques para que estos cumplan aceptablemente las condiciones requeridas, tanto en cuanto a suficiente comodidad para el comienzo del hormigonado, como en cuanto a que la diferencia de alturas en sus extremos no sea grande. Con laderas de pendiente no mayor del 25-30%, ha de resolverse el problema con inclinaciones de la excavación del 10, 15 o incluso 20%. Se comprende que el escalonado con la tolerancia citada no es suficiente para que la excavación siga a la ladera con un cierto paralelismo y, en ese caso, nos vemos obligados entre dar al asiento de los bloques una inclinación fuerte, que resultará incomoda para la construcción, o permitir escalones notables en la roca entre cada dos bloques. Un remedio puede ser el cambiar el ancho de los bloques. Esta disminución de ancho no sólo permite un escalonado menor, sino que también asegura el mejor trabajo de los bloques. Conviene estrecharlos en cuanto el escalón pueda ser grande, porque las juntas trabajan mejor con menores desplazamientos. A pesar de todas las medidas, si la ladera es muy inclinada quedará un escalón entre dos bloques que puede ser importante. Desde el punto de vista de la junta entre bloques esto no tendría mayor importancia, pues su flexibilidad permite seguir los movimientos relativos entre ambos. Es la roca la que puede dar dificultades, pues un escalón grande en ella no es conveniente. En la sección transversal, deben prescribirse los escalones con ángulos vivos; en la longitudinal se admiten, pero conciertos límites. Un escalón fuerte, da una debilidad a la roca y es de temer, que en un entorno de la esquina del escalón, la roca esté agrietada o rota. Hay ocasiones extremas en las que es inevitable un escalón considerable por la constitución misma de la ladera. En este caso no hay otra opción que aceptar el hecho y proyectar una junta especialmente prevista para permitir la gran diferencia de movimientos entre los bloques adyacentes. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 En las presas de contrafuertes es mejor concentrar los escalones en las juntas, para que cada elemento trabaje mejor. Cabe, sin embargo, alguna tolerancia, dando un escalón más alto para una de las cabezas con tal de que no sea grande y, mejor aún, suavizándolo de alguna forma. Tiene cierta importancia el orden en que se lleva la excavación. Es recomendable ir de abajo hacia arriba, es decir, empezar por el cauce e ir descendiendo. Todo lo dicho hasta ahora, se aplica a presas de gravedad. En las presas bóveda, las normas dadas siguen vigentes, pero en lo relativo al escalonado longitudinal, tienen una mayor flexibilidad. Esta tolerancia viene obligada porque en estas presas es muy frecuente que la cerrada presente unas laderas fuertemente inclinadas e incluso próximas a la vertical, en cuyo caso es muy difícil conseguir un escalonado relativamente suave, ni aún haciendo las ménsulas estrechas. Pero además, es que tiene mucha menor importancia que las ménsulas apoyen sobre una superficie plana, pues como al trabajo como tales ménsulas se agrega el efecto arco, que suele ser prevalente, una vez inyectadas y actuando toda la bóveda como un conjunto, las resultantes de las fuerzas sobre el cimiento no son verticales, sino inclinadas. En cuanto a las presas de material suelto, todo lo dicho arriba rige sólo en un sentido muy amplio y con grandes tolerancias. Sigue siendo aconsejable tratar con cuidado la roca al excavarla, pero no con tanta exigencia. Y como su construcción no se hace por elementos verticales, sino por tongadas horizontales, no es necesario en absoluto hacer escalones horizontales, bastando limpiar la roca lo suficiente para que la superficie de contacto quede lo más sana posible, pero sin ser preciso tampoco una entereza total, ya que el material propio de la presa es, de por sí, suelto. 5.8. TÉCNICAS DE PRECORTE En la ejecución de la parte horizontal o casi horizontal de la excavación, suele bastar la prudencia, pues la forma de la rotura de la roca conviene resulte naturalmente rugosa y angulosa. Pero en las paredes verticales o inclinadas, puede resultar conveniente añadir una condición más, conseguir una roca íntegra y cortada lo más lisamente posible. Así puede ocurrir, cuando intentemos contar con la resistencia pasiva de la cuña aguas abajo. En ese caso, la roca debe quedar lo más íntegra posible, para colaborar en la resistencia; y la superficie conviene sea casi plana, para asegurar la perfecta unión de hormigón con la roca y la posterior penetración de la inyección de cosido y consolidación. En una roca angulosa horizontal, el hormigón penetra bien por efecto de su propio peso, pero en vertical, los salientes dificultan la penetración y pueden dar lugar a huecos o contactos imperfectos entre hormigón y roca en los entrantes. La inyección también penetra peor cuando la superficie es quebrada. Ambas condiciones de integridad de la roca y corte casi plano se consiguen con las técnicas llamadas de precorte. Esta consiste en hacer una serie de taladros verticales o inclinados, de los cuales se cargan con explosivos uno de cada dos o tres. Los gases de la explosión tienen mejor salida a través de los taladros vacíos, que presentan así un presunto plano de rotura. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Así, no sólo se facilita la rotura de la roca al dar salida más fácil a los gases, sino que se establecen roturas bastante lisas acercando los taladros. Se comprende, que cuanto más próximos estén estos podremos poner menos explosivo en cada uno, consiguiendo con esto último menor daño y mayor lisura gracias a la proximidad misma. Esa línea de taladros es la de precorte, porque crea sólo una superficie agrietada. La roca que queda fuera del plano de precorte hay que excavarla con explosivo de forma normal. Esta técnica puede ser casi obligada en los casos de cimentaciones con cierta debilidad ante el deslizamiento, pues en ellas es preciso profundizar para contar con la acción pasiva de una cuña de terreno. También resulta muy aconsejable, en excavaciones próximas a una presa, como puede ser la de una central a pie de ella, al objeto de no afectar a la cimentación de ésta última. Y, por supuesto, resulta casi obligatoria cuando hay que hacer a alguna excavación próxima a una presa ya construida o cementada. Y, asimismo, en galerías o túneles. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 6. EL TERRENO Una presa es una estructura hidráulica que se asienta sobre un cauce; al cerrar el paso al agua, la remansa y forma un lago (embalse) que cubre una cierta extensión. La presa y el embalse, forman un conjunto indivisible. La primera es una obra singular, local y artificial, y el segundo un elemento natural, extenso, con un solo aunque importante, añadido artificial, que es su inundación. Las condiciones que deben cumplir el terreno de asiento de la presa y el del embalse son las siguientes: El cimiento y los estribos de la presa deben ser capaces de resistir las cargas transmitidas por ésta. El terreno cubierto por el embalse ha de ser impermeable; pérdidas de agua que queden limitadas a una cantidad que no perjudique el almacenamiento ni produzca presiones intersticiales peligrosas para la resistencia o estabilidad del embalse o presa. El embalse ha de ser también resistente, pero en un sentido relativo, pues podría tener fallos locales al mojarse con tal de que no progresen ni puedan perjudicar a su impermeabilidad ni a la resistencia de la presa, directa ni indirectamente. Por otra parte, el embalse, al inundar una superficie antes libre, produce unos efectos directos por la misma inundación: económicos, sociales y paisajísticos y otros ecológicos derivados del cambio de hábitat de las especies vivas. En el presente capítulo se tratan los problemas enunciados y los estudios previos que requieren para proyectar la presa, e incluso para decidir la conveniencia de hacerla o no. Seguidamente se adjuntan como ejemplo los planos de la cerrada y vaso de la Presa de gravedad de planta recta de Los Rodeos, en Murcia, sobre el Río Mula, cuyo cauce es un LIC en su totalidad. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 646.000 647.000 648.000 649.000 650.000 Urbanización 4.213.000 4.213.000 NORTE T.M. ALGUAZAS ra Ba r ri Ma nc o n T.M. CAMPOS DEL RÍO Campos del Río 4.212.000 4.212.000 Casas de los Rodeos Rodeo Primero o Huatazales Rodeo Segundo o de Enmedio Ri o Mu la T.M. LAS TORRES DE COTILLAS CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO SEGURA Mapa de Localización 4.211.000 4.211.000 ALBACETE ALICANTE JAÉN GRANADA MURCIA ALMERÍA ar M Me ráneo diter 646.000 647.000 Límite de embalses Límite de municipios Río Tus Bullas © CHS Julio de 2012 Piénselo antes de imprimir T.M. LORCA Cauces Poblaciones Municipios 648.000 649.000 EMBALSE DE LOS RODEOS COLECCIÓN FICHAS DE EMBALSES Escala 1:12.500 0 125 250 500 Metros Coordenadas UTM ETRS89 Huso 30N. Ortofotografía PNOA 2009 © IGN - CARM Más información en: http://www.chsegura.es/chs/cuenca/infraestructuras/embalses 650.000 RESUMEN DE DATOS BÁSICOS DE PRESA Y EMBALSE Cauce Capacidad Uso Titular Río Mula 15,01 hm3 Defensa Estado Año de construcción Material Cota Coronación Tipo de presa 2000 Hormigón en masa 135 m Gravedad PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 6.1. ESTRIBOS Y CIMIENTOS DE LA PRESA El terreno en el que se asienta la presa ha de ser capaz de resistir las cargas que ésta le transmite, que proceden a su vez de las fuerzas exteriores a la que está sometida. Para ello ha de tener la adecuada forma topográfica (sobre todo en presas bóveda) y constitución geológica y geofísica. En cuanto a la topografía, la presa se ubica en un paraje que se denomina cerrada o boquilla, por ser una zona más estrecha. A veces este concepto responde a la realidad, porque es un estrechamiento notorio, y en ese caso puede ser apto para una presa bóveda (aunque ya se verá que ésta exige otras condiciones además de las topográficas). En otras, el concepto es relativo, porque el cauce es ancho, aunque lo sea menos en el sitio elegido; la solución será una presa de gravedad (maciza o aligerada) o de materiales sueltos. Ejemplos de presas en cerradas muy estrechas son las presas arco-gravedad de Isbert sobre el río Girona (Orba, Alicante) y gravedad de Camarillas sobre el río Mundo (Hellín, Albacete): Presa de Isbert. Río Girona. Orba, Alicante. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS Presa de Camarillas. Río Mundo. Hellín, Albacete. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 No siempre el sitio más estrecho es el más apto para la presa, porque la roca puede estar más deteriorada o porque las mismas condiciones topográficas hagan difícil el acoplamiento de la presa y requieran unas excavaciones o ajustes que lleven a una obra más costosa, a pesar de la primera apariencia (por ejemplo, si la parte estrecha es muy corta y no da espacio para asentar la presa). El espacio y ubicación convenientes para el aliviadero también pueden aconsejar en muchas ocasiones la elección de una cerrada más amplia. En resumen: la ubicación óptima es la que, cumpliendo las exigibles condiciones de seguridad y funcionalidad, da lugar a la obra más económica en conjunto. La constitución de la cerrada puede condicionar la elección del tipo de presa: la ausencia de roca sana a profundidad razonable impedirá la cimentación de una presa de fábrica y marcará la elección de una de materiales sueltos; y, a su vez, la disponibilidad cercana de materiales térreos o pétreos señalará los que han de emplearse. Es el caso del embalse del Mayés, en Murcia, sobre la rambla del mismo nombre, del que seguidamente adjuntamos planos de planta de la cerrada y del vaso del embalse, así como secciones tipo de la misma: Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 641.750 642.000 642.250 642.500 4.219.500 4.219.500 NORTE yes bla d e Ma 4.219.250 am 4.219.250 R T.M. OJÓS CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO SEGURA Mapa de Localización ALBACETE ALICANTE JAÉN GRANADA MURCIA ALMERÍA ar M Me ráneo diter 641.750 642.000 Límite de embalses Límite de municipios Río Tus Bullas © CHS Julio de 2012 Piénselo antes de imprimir T.M. LORCA Cauces Poblaciones Municipios 642.250 EMBALSE DE MAYÉS COLECCIÓN FICHAS DE EMBALSES Escala 1:2.500 0 25 50 100 Metros Coordenadas UTM ETRS89 Huso 30N. Ortofotografía PNOA 2009 © IGN - CARM Más información en: http://www.chsegura.es/chs/cuenca/infraestructuras/embalses 642.500 RESUMEN DE DATOS BÁSICOS DE PRESA Y EMBALSE Cauce Capacidad Uso Titular Rambla del Mayés 1,5 hm3 Riego Estado Año de construcción Material Cota Coronación Tipo de presa 1980 Margas y materiales sueltos 278 m Materiales sueltos PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 En términos generales puede decirse que con la tecnología actual y la amplitud de elección tipológica disponible son muy pocos los lugares en los que no sea posible construir una presa por razones técnicas. Lo que no se opone a que muchas cerradas no resulten convenientes por razones de economía. En la siguiente imagen de la presa bóveda de la Almendra (de 234 metros de altura), se puede observar que la altura de la presa es superior a la de la propia cerrada lo que obligó a la ejecución de un macizado de hormigón sobre el que apoyar los dos estribos de la misma: Presa bóveda de la Almendra. Salamanca. Río Tormes 6.2. IMPERMEABILIDAD DEL EMBALSE Y DE LA CERRADA Como el fin del embalse es retener agua, toda fuga de ella es contraria a tal objetivo funcional. Sin embargo, es imposible la impermeabilidad absoluta, por lo que hemos de contentarnos con exigir que las pérdidas sean mínimas y despreciables. Pero sobre todo, que no progresen ni produzcan presiones intersticiales peligrosas. Al analizar la impermeabilidad, hemos de considerar dos facetas: el embalse, en general, y las proximidades de la presa, esto es, la cerrada. La impermeabilidad del embalse es la cualidad más importante desde el punto de vista de la retención, pues afecta a una extensión considerable, en general, y por ello no susceptible de un estudio tan detallado. Además, de existir algunas zonas permeables en el vaso, si son de cierta importancia no podemos normalmente tratarlas, pues resultará prohibitivo. En cambio, el vaso suele tener la ventaja de que el gradiente hidráulico de la posible filtración es débil (el recorrido de la posible fuga es largo en relación con la altura del agua) por lo que a menos que el terreno sea muy permeable (calizas cársticas, por ejemplo) la filtración puede ser insignificante. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Excavaciones de cimentación en los estribos izquierdo y derecho en la cerrada de la Presa bóveda de La Llosa del Cavall. Lérida. Río Cardener En la cerrada el problema es más agudo, porque los posibles caminos de fuga son cortos, al haber la posibilidad de contorneo de la presa, lo que conduce a gradientes fuertes. Estas posibles filtraciones no sólo pueden ser notables, sino que, además, producen presiones intersticiales que influyen en la estabilidad y resistencia de los estribos y de la presa. En contrapartida, al ser una zona de superficie y volumen más limitados, es susceptible de una investigación cuidadosa y de adecuado tratamiento (drenajes, inyecciones, consolidaciones, etcétera). Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Inyecciones para pantalla de impermeabilización en fondo de cerrada de la Presa de La Llosa del Cavall. Lérida. Río Cardener La impermeabilidad del embalse debe entenderse en su conjunto. No importa que contenga elementos permeables, con tal de que no tengan salida al exterior. Hasta sería admisible que la tuvieran si estuviera tan lejana que la filtración fuera insignificante. Las rocas más peligrosas son las calizas, pues pueden tener cavernas y grietas intercomunicadas. También pueden serlo los yesos, que son impermeables, pero solubles; esta doble propiedad puede llevar a una filtración por disolución progresiva o porque ésta produzca asientos que, a su vez, den grietas por las cuales penetre el agua; pero también puede haber casos en los que el espesor sea tal que garantice la imposibilidad de progreso de la disolución, asegurando la impermeabilidad. En cambio, las margas, arcillas, pizarras, granitos y cuarcitas son impermeables, en general. Pero hay que cerciorarse (granitos y cuarcitas) de que no presentan formaciones de fallas o diaclasas que puedan conducir a filtraciones importantes. Esta atención es de particular importancia en la cerrada, no sólo por impermeabilidad, sino sobre todo por estabilidad. Es preciso estudiar la impermeabilidad no sólo actual, sino futura, del embalse. Por ejemplo, si un banco de calizas cársticas está cubierto por un talud de arcillas la impermeabilidad está asegurada, en principio; pero hay que analizar si es posible que las arcillas, al ser mojadas, deslicen y lleguen a dejar al descubierto las calizas. Como conclusión, decir que, salvo casos especiales, la impermeabilidad del vaso debe conseguirse por su constitución natural, pues no es concebible tratar de impermeabilizar grandes superficies. Sólo si éstas son reducidas, en zonas muy concretas, es posible acometer su impermeabilización con pantallas de inyecciones o con mantos recubridores (espaldones de arcilla). Un caso concreto es la cerrada que, como ya hemos comentado, se presta mejor a ello por su menor extensión. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 6.3. ESTABILIDAD DEL VASO Ya hemos dicho anteriormente que la estabilidad del vaso ha de estar asegurada en un sentido genérico, y debe ser tal que no pueda poner en riesgo ni la retención del agua ni la seguridad de la presa. Por ello, podrían admitirse faltas de estabilidad parciales siempre que no afecten a ninguna de las dos condiciones esenciales enunciadas. Los corrimientos de tierras o deslizamientos de laderas, sobre todo si son bruscos, son los efectos más peligrosos, pues pueden dar lugar a olas de gran tamaño que produzcan un importante impacto en la presa o que la rebasen vertiendo sobre ella fuera de la zona prevista como aliviadero, o por algún collado o punto bajo del embalse, con consecuencias que pueden ser muy peligrosas. Esto no es corriente, pero ha habido algunos casos que obligan a pensar en esa posibilidad. El más grave de todos los conocidos ha sido el de Vajont (Italia) ocurrido en 1963. Deslizó sobre el embalse una masa enorme de una longitud de más de 2 km con 500 m de altura; la onda producida por la caída alcanzó 150 m de altura y saltó por encima de la presa, que sólo tuvo algunos desperfectos, demostrando el alto margen de resistencia que tiene una bóveda; pero el embalse quedó inservible. Sin embargo, el tsunami consecuencia del deslizamiento destruyó totalmente el pueblo de Longarone, situado aguas abajo de la presa, matando a unas 1.450 personas. Vista del deslizamiento de ladera en el vaso de la Presa de Vajont, Italia. 1963. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Este caso, aunque extraordinario, enseña que no se puede considerar el embalse como inamovible, sino que hay que investigar si alguna zona puede deslizar y el efecto que puede producir en el propio vaso y en la presa. Esta y el embalse constituyen un conjunto único e indivisible y no basta que uno de ellos resista y permanezca si el otro padece un defecto grave, sea en su impermeabilidad o en su resistencia. Sobre todo es grave lo que afecta a esta última, pues un fallo en ella puede significar la irrupción brusca aguas abajo del volumen de agua contenido en el embalse, con un tremendo efecto destructor en vidas y bienes; la permeabilidad, por sí misma, se limita a disminuir o anular la utilidad de la obra, pero no tiene por qué causar daños a terceros, salvo que degenere en destrucción importante de la presa o del embalse, es decir, cuando llegue a afectar a la estabilidad o resistencia. Sin embargo, pueden ser admisibles pequeños reajustes del terreno, siempre que sean limitados y lentos, de forma que no se traduzcan en oleaje notable o no descubran zonas permeables. Particular atención ha de concederse a esta posibilidad en aquellos terrenos en los que haya precedentes de deslizamientos de laderas, aunque no fueran importantes, porque al mojarse éstas, baja su coeficiente de rozamiento y la rotura del equilibrio se hace más probable. El peligro es mayor si hay diaclasas o juntas de estratificación que buzan hacia el valle, porque a la menor resistencia por rozamiento se puede unir el efecto de la presión intersticial. Los seísmos, como ya se apuntó, pueden también provocar deslizamientos en laderas que antes eran estables. 6.4. ESTUDIOS GEOLÓGICOS Por todo ello es imprescindible realizar un estudio geológico serio y detenido de la cerrada y del vaso, con vistas a conocer la estabilidad y permeabilidad de los terrenos; y no sólo de los afectados de una manera directa por las obras, sino en un cierto entorno, pues la presa y el embalse pueden quedar influidos por lo que ocurra en una zona circundante más o menos extensa, según los casos. De este estudio deben deducirse consecuencias concretas y prácticas en cuanto a la estabilidad, resistencia e impermeabilidad esperadas. Los informes geológicos deberán guiar al ingeniero (en un campo que le excede por la especializado, pero que no le es ajeno) para que pueda juzgar, con sus conocimientos técnicos, sobre la viabilidad de la presa y las precauciones que requiere. Otro objetivo del estudio geológico -así como del geofísico complementario- es la investigación sobre yacimientos o canteras para materiales de la presa: áridos para el hormigón, piedra para escollera, arcillas para núcleos, etc. También sobre la excavabilidad de los terrenos, taludes de excavaciones admisibles a cielo abierto o en zanjas, presencia de de nivel freático y su evolución en el tiempo, etc. 6.5. ESTUDIOS GEOFÍSICOS La información geológica requiere un complemento geofísico para poder juzgar sobre ciertos puntos y completar otros datos fuera del campo estrictamente geológico. Los medios empleados son los siguientes: Prospecciones eléctricas, sísmicas, etc. Sondeos. Excavaciones (trincheras, túneles y pozos). 1.- La prospección eléctrica se basa en la diferente resistividad de los terrenos según su constitución y su contenido de agua. Se mide la resistencia entre varios puntos y se deduce la clase de terreno de las distintas zonas. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 2.- La prospección sísmica tiene por fundamento que la celeridad de transmisión de una onda de choque es: siendo E el coeficiente de elasticidad dinámico de la roca y su densidad. Midiendo los intervalos de tiempo que trascurren desde que se genera la perturbación dinámica artificial (martillo, explosivo, etc.) hasta su recepción en los geófonos u otros sensores colocados a diferentes distancias, se puede construir una gráfica tiempo-distancia que permite determinar la velocidad de propagación de la onda del terreno, con lo que se obtiene E, lo que ya es un resultado directo esencial para el cálculo; y con E se puede correlacionar la estructura del terreno. 3.- Los sondeos son útiles para conocer el terreno en profundidad. Gracias a los testigos continuos que obtienen podemos ver y hasta ensayar directamente las distintas capas. Es preciso hacerlo con un equipo experimentado, pues en otro caso pueden interpretarse mal sus resultados, e incluso los testigos obtenidos. En algunos casos es útil obtener muestras sin alterar, cuando el terreno es arcilloso y ha de conocerse su estado natural de cohesión, saturación, etc. 4.- Las excavaciones son, sin duda, el procedimiento más útil y seguro, pero también el más costoso. Gracias a ellas podemos «descubrir» cómo es el terreno en profundidad, pero, de una manera más directa que con los sondeos: éstos nos dan unos testigos que son un trozo de roca o tierra, pero una excavación permite ver y tocar la roca tal cual es y apreciar su constitución, estratigrafía, diaclasas, etc. Según el terreno y la profundidad a alcanzar se hará una cata o trinchera (relativamente superficial), una galería (para profundizar en horizontal), o un pozo (para investigar en vertical o con fuerte inclinación). Las galerías o pozos pueden ser útiles después para el drenaje de la obra, pero al fijarlas para investigar el terreno no debemos obsesionarnos por su utilidad ulterior, sino colocarlas donde ayuden a conocer mejor la roca. Claro es que si ya se tiene una idea bastante concreta de la ubicación de la presa, quizá puedan colocarse las galerías de forma que sirvan para un uso posterior. En cualquier caso no hay que olvidar la existencia de las galerías de reconocimiento al hacer la obra y llenar el embalse, pues si aquéllas no sirven para la obra definitiva, puede ocurrir que su efecto no sea indiferente si representan un camino de filtración que abra una vía de agua, o facilitan la formación de presiones intersticiales, etc. Debe, pues, analizarse el efecto de las galerías abandonadas y, en consecuencia, despreocuparse de ellas (si son de efecto indiferente) o taponarlas, inyectarlas, etc., si pudieran ser perniciosas. Diremos como colofón que no deben escatimarse los medios para conocer lo mejor posible la constitución del terreno en que se asentará la presa y el próximo a ella. Los ahorros en esto se pagan muy caros después y a veces muy pronto. Sólo un buen conocimiento de los datos -y entre ellos es fundamental el terreno- permite un buen proyecto y ejecución. La economía debe buscarse a través de una buena técnica (de proyecto y construcción) y no en la escasez de los datos. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Entre éstos, los más seguros son las excavaciones. Como éstas son caras, han de completarse con sondeos y prospecciones, organizando el conjunto de reconocimientos de forma que cada uno cumpla el ámbito de información de que sea capaz, sin pretender que un método inferior sustituya a otro superior en informaciones que no pueda dar, pero tampoco exagerando el uso de medios costosos para obtener datos que pueden suministrar otros más económicos. En algunas grandes presas la longitud total de galerías y pozos (provisionales y definitivos) alcanza varios centenares de metros e incluso kilómetros, y los sondeos varias veces más. Las prospecciones eléctricas no se usan más que en ocasiones concretas, pero las sísmicas son casi obligadas para conocer las características elásticas del conjunto de un estribo de apoyo o ciertas zonas de él. Toda esta información es muy útil para el proyecto, pero no deja de ser sobre puntos o zonas, por lo que, al hacer las excavaciones de los cimientos y estribos se encuentran a veces aspectos no previstos en puntos que han quedado fuera de los controlados. En ocasiones esto puede llevar a cambios en el proyecto, aunque normalmente no son sustanciales. La garantía de conocimiento del terreno será tanto mayor cuanto más cuidadosa e intensiva sea la prospección realizada, siendo los resultados más fiables los directos, o sea, las excavaciones. 6.6. DATOS TOPOGRÁFICOS El plano del embalse para primeros tanteos puede ser de escala alta (1/50.000 o 1/25.000) siempre que su extensión sea importante. Pero el estudio definitivo del embalse debe ser de una escala no inferior a 1/5.000; es muy usada la 1/2.000. La cerrada exige un plano más detallado, pues hay que definir en ella las obras de la presa y las instalaciones auxiliares necesarias. Para primeros tanteos podrá bastar un 1/5.000 y desde luego uno a 1/2.000. Pero, para el proyecto definitivo hay que bajar a 1/500 o 1/200 según los casos. Este plano debe extenderse a una zona suficientemente amplia para incluir, además de la presa, el aliviadero y otros desagües, las instalaciones auxiliares de obra, etc. Para definir la presa es preciso obtener, además, perfiles transversales de ella, con escala 1/100 o más. En tanteos previos de presa, para estudiar su mejor ubicación y antes de obtener el plano definitivo, se puede conseguir suficiente aproximación levantando perfiles transversales a la cerrada a escala 1/500 o 1/1.000. Hoy en día se han impuesto casi sin excepción los levantamientos fotogramétricos, sean aéreos o terrestres. Normalmente se emplean los primeros para los embalses y los segundos para las cerradas. Los perfiles transversales o longitudinales se toman por topografía clásica. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 7. PRESAS DE MATERIALES SUELTOS. DETALLES DE PROYECTO Y CONSTRUCCIÓN En las presas de hormigón, el material es previamente conocido y sus características pueden fijarse. Podemos pues, suponer a priori, unas características y fijarnos taludes y dimensiones y luego exigirlas al hormigón. En cambio, cada presa de tierras tiene sus materiales propios. El núcleo puede ser de arcilla, pero la permeabilidad de ésta, su cohesión, ángulo de rozamiento y peso específico pueden variar mucho, no sólo de unas arcillas a otras, sino incluso para una arcilla determinada según su compactación, contenido en agua... Por ello no hay un proyecto tipo de presas de tierras, pues cada una tiene su individualidad. En este capítulo vamos a analizar de forma simultánea los detalles de proyecto y los métodos constructivos. 7.1. ELEMENTOS DEFINITORIOS DE LA TIPOLOGÍA La gran variedad de los materiales empleados y las distintas combinaciones entre ellos llevan a una gran riqueza tipológica, tanto en los tipos genéricos como en los subtipos y detalles estructurales internos. En cambio, estas presas resisten sólo por gravedad, en contraste con las de hormigón, en las que la tipología viene ligada a la forma de resistir al empuje con un material único. A la variedad de los materiales y a sus distintas ubicaciones en la presa se añade la influencia de las circunstancias externas: la importancia de las crecidas y el terreno. Como veremos, estas presas se adaptan mejor que las de fábrica a terrenos de baja consistencia, gracias a la adaptabilidad de los materiales y a la variedad de soluciones. El resultado es una rica paleta de tipos y subtipos puesta a disposición del proyectista para que elija la más conveniente en su caso. La variedad es tal que ni siquiera en un caso concreto puede decirse que haya una solución tipo: si sobre un problema concreto se pidiera la opinión a varios expertos, es probable que se obtuviera un abanico de soluciones, incluso con opiniones encontradas, pues para cada problema puede haber varias soluciones igualmente aptas, por lo que cada uno elegirá según su propia experiencia y preferencia personal, e incluso según la región (árida o húmeda) en donde haya desarrollado su actividad profesional. Es obvio que esto ocurre en cualquier obra, pero en las presas de hormigón se presenta con mucha menor intensidad que en las de materiales sueltos. La clasificación tipológica puede hacerse según dos conceptos principales: el material constituyente y el elemento impermeabilizador. A pesar de que éste es minoritario en volumen, es el más significativo desde el punto de vista estructural y funcional, pues rige el comportamiento de la presa frente al agua, mientras que el resto (la mayor parte del volumen) sólo actúa como masa pesante. Son en realidad más diferentes dos presas de escollera, una con pantalla de hormigón y otra con núcleo arcilloso, que una de tierra y otra de escollera, ambas con núcleo. A pesar de ello, es frecuente definir la presa por el material predominante (más del 50% del total): de escollera (bloques y gravas) o tierra (gravas, arenas o elementos más finos). Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 El elemento impermeabilizante es fundamental en cuanto al funcionamiento hidráulico interno, esencial en estas presas. En las de hormigón, la impermeabilidad -mejor dicho, una muy baja permeabilidad- está asegurada con una aceptable ejecución, gracias al cemento. Pero la mayor parte de los materiales naturales son permeables y precisan otro elemento impermeabilizador complementario. En la mayoría de las presas éste es también natural (arcilla, limo), pero cuando no se encuentra en el entorno de la presa o no con el volumen necesario, hay que recurrir a un material artificial: hormigón, betún, plástico o acero (los dos últimos muy excepcionalmente, por el momento). Su uso es una contradicción aparente a la filosofía básica de estas presas (empleo de materiales naturales), pero forzado por la falta del material adecuado en el entorno, que es otro principio básico. La situación del material impermeable en la presa da otra variedad, tipológica: en su interior y en la parte central (núcleo de tierras o diafragma de hormigón), cercano al paramento mojado (núcleo inclinado) o exterior, apoyado en ese paramento (pantalla bituminosa o de hormigón). En algunos casos el terreno adyacente suministra materiales de suficiente impermeabilidad para poder hacer toda la presa con ellos. La presa será impermeable por sí misma y, como las de hormigón, no tendrá diferenciados los elementos impermeables de los pesantes y resistentes. Esas presas se llaman homogéneas. En general, las presas homogéneas son minoría y, salvo excepciones, de altura moderada. Por último, hay que citar un tipo especial: las presas vertientes. Ya se ha dicho que es muy excepcional (por el momento) y para caudales limitados, pero eso se refiere a las presas de servicio continuado. Sin embargo, hay presas provisionales (ataguías) que se construyen para aislar y dejar en seco la zona de la presa y poder cimentarla y construirla. Esas presas vierten en algunas ocasiones, a veces con cierta frecuencia, pero como son construcciones de corta vida y altura, no requieren tanta seguridad como una gran presa permanente. La forzada aceptación del vertido en esas presas provisionales ha permitido avanzar considerablemente en la experiencia de protecciones resistentes, lo que permite pensar en utilizarlas en presas mayores y permanentes. Algunas —muy pocas aún— se han preparado para ello, con ciertas limitaciones de caudal vertiente y en presas de alturas moderadas: pero el progreso apunta en esa dirección. A continuación analizamos cada tipo con las variantes y subtipos posibles. Comenzaremos por las presas homogéneas porque son las más simples y porque al analizar su comportamiento se verá la necesidad de ir introduciendo otros elementos y la justificación de las presas heterogéneas en una línea de exposición lógica. 7.2. PRESAS HOMOGÉNEAS Como el material es uniforme, ha de ser de baja permeabilidad: arcillas o limos, o mezcla de arenas o gravas con alta proporción de finos. En consecuencia, los taludes son bastante tendidos: de 2 H/l V a 4H/1 V, según el material. Su uso puede estar indicado en lugares donde hay un material abundante de esas características, lo que supone una limitación, pues la mayor parte de los cauces están constituidos por acarreos de gravas y arenas. Pero además hay otras limitaciones procedentes de su comportamiento hidráulico interno, según vamos a analizar. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 La red de corriente en una presa homogénea es como la de la figura siguiente: En el paramento libre (o aguas abajo) las líneas de corriente salen a la superficie a la presión atmosférica, pero en el punto de salida hay un potencial definido por la línea equipotencial en ese punto. Si la línea de saturación sale a una cierta altura en A toda la porción de la presa inmediata a la zona AD del paramento estará sometida a presiones intersticiales definidas por los potenciales 1, 2, 3, y la presión efectiva en un punto será la que resulte de ese potencial y su posición. Por ello, un triángulo como el BB0C estará sometido a un empuje en su cara BB0 y a una levitación en la B0C; si el rozamiento y la cohesión son insuficientes para contrarrestar esas fuerzas, la cuña se desprenderá. Aunque sea pequeña, el paramento quedará interrumpido y más desequilibrado que antes, con lo que tenderán a producirse nuevas cuñas de erosión superficial en el talud, y luego hacia el interior. El proceso podría degenerar en un deslizamiento más profundo. Para evitar ese riesgo hay que actuar sobre la causa del desequilibrio, que es la saturación de una zona del paramento. Una forma de lograrlo es añadir un espaldón permeable aguas abajo; la red de corriente es la misma, pero el material del dique en la zona AE, en vez de tener la presión atmosférica, estará sometido a la contrapresión debida al peso del espaldón, que podrá restablecer el equilibrio de las presuntas cuñas deslizantes. Otro procedimiento es provocar el descenso de la línea de saturación de forma que no alcance el paramento libre. Disponiendo una capa horizontal de material permeable AB (dren) se forma una nueva superficie libre AA'B' y las líneas de corriente se dirigirán hacia ella; si la penetración es la debida, se conseguirá una nueva línea de saturación OD, con una masa en seco M estabilizadora (rayada) de efecto similar al del espaldón de la figura anterior, pero con la ventaja de que es parte de la propia presa, con el único añadido del dren, de volumen relativamente pequeño e integrado en aquélla. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Este efecto puede reforzarse con una serie de capas drenantes paralelas para garantizar que la línea de saturación se aleja francamente del paramento libre. También sirven para facilitar el drenaje del agua de lluvia que podría empapar M desde arriba y subir accidentalmente el nivel saturado mientras que el agua no llegue al drenaje bajo. Los drenes superiores adelantan el efecto y acortan el período transitorio, además de reforzar el efecto frente a las filtraciones del embalse, pero conforme se multiplican complican y encarecen la obra, aparte de que tienden a producir una estratificación y anisotropía del material que ahora nos limitamos a consignar. Más eficaz que los drenes paralelos es el dren chimenea C, que puede ser vertical (a) o inclinado en uno u otro sentido (b). La mayor eficacia del dren chimenea se basa en que corta a las l.d.c. en toda la altura, pero con mayor sencillez y continuidad que los drenes horizontales. Otra ventaja es que permite el control de las presiones intersticiales durante todo el proceso constructivo y evita la tendencia a la estratificación horizontal antes citada, que es un inconveniente de los drenes horizontales. Todos estos dispositivos drenantes alejan la línea de saturación del paramento libre y, en consecuencia, dan lugar a una masa estabilizadora, pero a costa de disminuir el recorrido del agua y, por tanto, de un aumento del gradiente y de la velocidad de filtración. Este es de menor importancia, en general, porque el material de estas presas suele tener una permeabilidad suficientemente baja para que una duplicación o triplicación del gradiente sea aceptable. La prueba es que en las presas con núcleo éste tiene un espesor de 1/5 o menos de la base de la presa. En general se usan los drenes (de una u otra forma) y no el espaldón estabilizador, pues éste exige un volumen suplementario. Pero un espaldón suplementario puede ser útil si se trata de reforzar una presa en condiciones deficientes de estabilidad, pues es una obra externa, más fácil de ejecutar que unos drenes a posteriori. Para que sea eficaz, el espaldón ha de ser suficientemente permeable, pero cabe también emplear el material disponible, aunque no lo sea, y colocar un dren intermedio para asegurar que las líneas de corriente saldrán a él y no a la superficie del espaldón. Ese dren actuaría como un dren chimenea, pero exterior a la obra primitiva y fácil de ejecutar. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 El drenaje, en una u otra forma produce los siguientes efectos: 1. Baja la línea de saturación, creando una masa M en seco que, con su peso, produce una contrapresión que contiene la posible fuga de finos en el borde de salida. 2. Al dejar libre de presiones intersticiales la zona M, se aumenta la estabilidad al deslizamiento. 3. Permite medir el caudal filtrado y observar si el agua sale limpia o si arrastra finos. Las capas drenantes horizontales suelen ser continuas, pero si el material escasea, pueden construirse en forma de «peine» con un dren longitudinal A (paralelo a la coronación) y varios de salida transversales B. Pero si hay material disponible, es más eficaz la capa continua, pues algunas l.d.c. pueden «escaparse» entre dos drenes B y alcanzar o acercarse al paramento. Además, el dren continuo es más fácil de ejecutar. Es aconsejable completar los sistemas expuestos con un pie drenante como el de la imagen siguiente de material similar o más grueso que el del dren. Ese pie sirve para rematar y dar mayor solidez a la salida del dren y un mejor apoyo al pie del paramento; a este último efecto debe formar una berma, como se ve en el detalle de la figura. Las dimensiones y permeabilidad de los drenes deben ser tales que desagüen ampliamente la filtración previsible. Si el dique y su cimiento son bastante impermeables, el dren debe tener una permeabilidad por lo menos 100 veces mayor que la media del dique o del cimiento, lo que es relativamente fácil de conseguir, en general. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 7.3. FILTROS Para ser eficaces, los drenes requieren un complemento. En efecto: al poner en contacto dos medios P y D de granulometrías muy diferentes, el agua filtrada hacia el dren puede arrastrar los materiales finos de P. El dren, por esencia, ha de tener unos huecos de suficiente entidad como para que el agua pueda pasar con facilidad por ellos, porque sólo así se logra hacer una «llamada» a las líneas de corriente y bajar la de saturación. Pero esos huecos permiten también el paso a los finos de P arrastrados por el agua cuyo tamaño sea inferior al de esos huecos. De no controlar de alguna forma este defecto sólo se habría conseguido trasladar el origen de la erosión desde el paramento exterior al dren, incluso agravando el problema por el aumento del gradiente. Ese control se logra mediante un elemento intermedio, que es el filtro. Imaginemos que entre dos elementos P y D de granulometrías homogéneas, P fina y D gruesa y abierta, se disponen una serie de capas 1, 2, etc de granulometrías progresivas (gradualmente crecientes en tamaño) tales que los huecos de cada capa sean menores que el diámetro del árido de la anterior. El agua pasará a través de las capas intermedias, pero no podrá arrastrar materialmente los finos, que quedarán retenidos en los huecos de la capa 1; los elementos de ésta, a su vez, no podrán emigrar a través de la capa 2, ni los de esta última hacia el dren D. Ese conjunto de capas entre los dos medios P y D constituye un filtro y permite alcanzar realmente el objetivo del drenaje, que es dejar paso al agua sin lavado de finos de la presa. El filtro descrito es teórico, pues los materiales naturales no tienen una granulometría uniforme, sino variada, y por lo tanto sólo de una manera estadística puede decirse que los huecos de un material de tamaño vario no dejan pasar los granos de otro de granulometría también variada. En la práctica, tanto la presa como el dren y la o las capas del filtro tienen una curva granulométrica entre dos tamaño extremos, y la granulometría varía de cada capa a la siguiente. Según las características granulométricas de P y D puede bastar una sola capa intermedia de filtro; e incluso, en ocasiones, el medio D cumple la condición de filtro con P, siendo innecesaria otra capa de árido entre ambos. Este filtro ideal es factible, pero resulta difícil de ejecutar. Un filtro por capas tiene gran peligro de mezcla de ellas por el paso de las máquinas. Esto se podría evitar haciendo cada capa sobreabundantemente gruesa para que los posibles movimientos dejen siempre inalterado un espesor suficiente. Es preferible hacer filtros de materiales heterogéneos pero mezclados de forma homogénea y constituyendo un conjunto que cumpla las dos condiciones exigidas. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Para la ejecución de estos filtros, las reglas siguientes son de uso general y dan buen resultado, (siendo Dn el elemento de diámetro de suelo o filtro tal que el n% de sus elementos en peso son menores que Dn): a) Para impedir el movimiento de las partículas del suelo hacia el material filtrante. D15 del filtro / D85 del suelo < 5 D50 del filtro / D50 del suelo < 25 En el caso de terreno natural de granulometría uniforme, se sustituirá la primera relación por: D15 del filtro / D85 del suelo < 4 b) Para que el agua alcance fácilmente el dren: D15 del filtro / D15 del suelo > 5 Estas condiciones son conservadoras. Si con los materiales disponibles no se cumplen bien las condiciones y se requieren volúmenes importantes de filtros, el único camino es hacer ensayos para ver cómo se pueden obtener con aquellos la doble función encomendada al filtro. Hay que tener en cuenta que cuanto más delgado sea el filtro, tanto más exigentes debemos ser. En cambio en filtros con amplias dimensiones, la tolerancia es mayor. Por eso se prefiere, normalmente, hacerlos anchos para ganar seguridad y facilitar la ejecución. 7.4. PRESAS HETEROGÉNEAS CON NÚCLEO CENTRAL Se ha visto que la presa homogénea, aparentemente simple, requiere un drenaje con sus filtros en cuanto su altura excede de unos pocos metros, con lo que se inicia una heterogeneidad incipiente. Se ha hecho notar también que la impermeabilidad suele ser sobrada, incluso actuando sólo una parte del espesor. Ambas consecuencias conducen a la presa heterogénea, en la que quedan separadas la función impermeabilizadora, encargada a un núcleo, pantalla o diafragma, y la función de forma y peso, cumplida por el conjunto, con el empleo de materiales que no requieren cualidades especiales, sino sólo que pesen, lo que se cumple por todos. Con esto, además de un drenaje amplio, se consigue un tipo adaptable a toda clase de materiales y, sobre todo, al empleo de los más abundantes, que suelen ser las gravas y arenas. Un esquema simplista de una presa con núcleo central es el de la figura e imágenes siguientes: Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Vista de la ejecución del dique de tierras con núcleo de arcilla de la Presa de Tous. Año 1982 El núcleo impide el paso del agua desde el embalse y divide la presa en dos partes o espaldones: el de aguas arriba, saturado de agua, y el de aguas abajo, en seco o con una línea de saturación baja, según las permeabilidades del núcleo y del espaldón. La función mecánica de los dos espaldones es por ello distinta: el seco funciona como una presa de gravedad, con el paramento mojado coincidente con el plano aguas arriba del núcleo, y el espaldón aguas arriba, saturado, sirve de sostén a sí mismo y al núcleo. El talud aguas abajo debe ser tal que el espaldón sea estable frente al empuje hidrostático, teniendo en cuenta las presiones intersticiales del núcleo y las residuales que existieran en el propio espaldón por filtración del núcleo; el talud aguas arriba deberá ser el necesario para proporcionar la estabilidad al propio espaldón, teniendo en cuenta las presiones intersticiales debidas a su estado de saturación y el empuje del núcleo, también saturado. Estas condiciones suelen dar taludes relativamente similares en ambos paramentos (presa isósceles) y más o menos tendidos según los materiales empleados y la constitución del cimiento. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Desde el punto de vista estrictamente funcional conviene que el espaldón de aguas abajo sea lo más permeable posible, para que la línea de saturación, después de atravesar el núcleo, baje con rapidez y el espaldón quede libre o casi libre de presiones internas. Pero la gran utilidad de estas presas reside en el empleo de los materiales cercanos disponibles, y podría darse que éstos no fueran tan permeables como fuera de desear. Comúnmente los materiales para espaldones se suelen obtener del propio cauce o de las terrazas fluviales, en donde predominan las gravas y arenas, en general bastante permeables. Recuérdese que basta una relación de permeabilidades de 1/100 para que sea efectivo el drenaje entre dos medios, lo que en general suele cumplirse al emplear para espaldones el llamado todo uno, que es el material natural tal y como se encuentra en cauces o terrazas (quitando la capa vegetal orgánica, que es perjudicialmente activa y, si acaso, con un lavado para eliminar los elementos más finos). Pero cuando no sea así, habrá que intercalar entre el núcleo y el espaldón un dren chimenea para drenar el núcleo del agua infiltrada y el propio espaldón de la de lluvia. Este dren deberá estar protegido por sendos filtros, tanto del lado del núcleo como del espaldón, salvo que del lado del espaldón se cumpliera la condición de filtro. Cuando el espaldón es permeable, él mismo sirve de drenaje y sólo falta un filtro entre él y el núcleo. 7.5. OBRAS DE TOMA Y DESAGÜE En las presas de material suelto se evita, en lo posible, que las tuberías de una central eléctrica, las de desagüe de fondo o las tomas para riego o abastecimiento, atraviesen la presa, por las razones: 1.- El contacto entre la tubería y el material térreo es imperfecto, por lo que a lo largo de él es muy probable se produzca una fuga de agua. 2.- La rigidez de la tubería representa una discontinuidad en medio del material del dique, tanto en el núcleo como en los espaldones, lo que puede provocar asientos diferenciales. Esos asientos pueden traducirse en grietas que podrían dar lugar a corrimientos en los espaldones y fugas en el núcleo. 3.- Si la tubería llevase agua a presión, a esos defectos y peligros se añadirían los de las posibles fugas por agrietamiento de la tubería, fallo de sus juntas, etc., todo ello muy posible, al estar asentada en terreno blando. Por todo, se precisa llevar las tuberías fuera del cuerpo de estas presas, sea en túnel o a través de alguna obra de fábrica; si por alguna razón se decidiese atravesar la presa con alguna tubería en presión, ésta no debe ir en contacto directo con el dique, al menos en su zona impermeable, sino dentro de una galería visitable, que deberá ir armada para resistir las presiones exteriores. Para evitar al paso del agua por el contacto entre la galería y el núcleo, se deben poner unos nervios salientes que obliguen al agua a seguir un largo recorrido, disminuyendo así el gradiente y la velocidad de fuga. La distancia entre cada dos nervios ha de ser al menos el doble de su saliente. La sección de los nervios debe ser trapecial y no rectangular, con la base más ancha en el arranque de la galería, para suavizar el ángulo entrante y evitar que el material térreo quedase mal apisonado. Además, se debe asegurar bien la compactación de las tierras alrededor de la galería, a cuyo efecto los paramentos exteriores de ésta no tendrán desplomes ni serán verticales, pues la compresión contra una pared vertical y, más aún, en desplome, es muy dudosa, pues falta la componente vertical. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Para paliar, en lo posible, el desfavorable efecto de la galería, conviene poner ésta pegada a uno de los estribos si éste es de roca, con lo que la discontinuidad se reduce, pues parte de la galería queda unida a la roca. 7.6. PANTALLAS DE HORMIGÓN El defecto fundamental de la pantalla de hormigón es la gran diferencia de deformabilidad entre ella y el material del dique. Este es muy deformable y susceptible de asientos. Si éstos son de cierta entidad, la pantalla no puede seguirlos y queda sin apoyo en ciertas zonas, lo que puede conducir al agrietamiento o rotura. Si ésta se hace muy gruesa, resiste más, pero es menos flexible y acusa antes cualquier asiento del dique. En general, se tiende a hacer placas no muy gruesas, pero al reducir el espesor se disminuye también la resistencia, es lo que se tiende a hacer, influyendo también el coste que aumenta con el espesor. Para mayor seguridad, las placas se arman con armadura doble, pues no podemos predecir cómo van a ir apoyadas y, por tanto, desconocemos el sentido de los momentos flectores solicitantes. La pantalla, en realidad, viene constituida por placas en forma de cuadrilátero o triángulo, con objeto de facilitar su adaptación ante posibles asientos del dique. Las juntas entre placas se impermeabilizan por medio de chapas onduladas de cobre o polivinilo, o con algún producto bituminoso. Lo esencial es que las juntas permitan el movimiento relativo entre placas y sean impermeables. Cuanto menores sean las dimensiones de las placas, tanto más flexible y adaptable será la pantalla, pero tanto mayor será el número y longitud de las juntas (son caras). Lo normal es hacer placas de unos 10 ó 12 m de longitud paralela al talud y de nos 8 a 10 m en horizontal, con espesores de 20 a 60 cm según la altura de la presa y la distancia entre juntas, pudiendo ir aumentando de arriba abajo. Este tipo de pantalla no se usa más que cuando los estribos son rocosos, pues si son de tierra habría que prolongar la pantalla bastante en horizontal dentro de ellos. Siendo los estribos poco deformables, la pantalla tiene en ellos desplazamientos nulos o mínimos, mientras que los máximos se sitúan en el centro y en la coronación. Lo que se suele hacer es disponer placas rectangulares en la mayor parte de la superficie, y hacer irregulares las de los bordes o acoplar los rectángulos con triángulos. 7.7. PANTALLAS BITUMINOSAS El principio funcional de éstas es idéntico al de las de hormigón, pero con la gran ventaja de que el material, además de impermeable, es extraordinariamente flexible. Se acopla muy bien a los asientos y es mucho más fácil y rápida de construir y reparar que las de hormigón, además, si ocurre una grieta, esta puede cerrarse por sí sola, gracias a la plasticidad del material. Los materiales deben poder pasar del contacto por el agua a la acción del aire y del sol, además de resistir fuertes presiones sin fluir lateralmente. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 El material suele ser hormigón asfáltico, con n árido de gradación entre unos 25 mm. como máximo y arena fina, con un 10% aproximadamente, en peso, de filler que no pase por el tamiz nº 200. El ligante usado suele ser asfalto puro (8-10% del peso del árido). La mezcla y compactación se hace en caliente. El contenido óptimo del aire parece ser del 2-3%. La pantalla suele hacerse en varias capas, con un espesor de 30-50 cm., y ha de apoyarse en una superficie plana de hormigón poroso o asfáltico. El apisonado se hace con rodillos movidos desde la coronación. El talud agua arriba debe ser, a lo sumo, de 1,3:1. Con taludes más fuertes la pantalla no tiene suficiente estabilidad. Tanto con pantalla bituminosa como con la de hormigón, el resto del dique ha de ser estable durante la construcción, con embalse vacío y para el empuje del agua a cualquier altura. Al pie de la pantalla debe ponerse una galería de control. En presas hechas con escollera o gravas, sin finos, el drenaje es automático y no se requieren las precauciones citadas. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 8. ALIVIADEROS 8.1. CARACTERÍSTICAS GENERALES El aliviadero es la obra más propiamente hidráulica de la presa. Esta, más que hidráulica podríamos decir que es hidrostática, pues su función estructural respecto al agua es puramente pasiva, de resistencia. Gracias a ella, se consigue la elevación de su nivel natural y su almacenamiento. Su misión es, pues, derivar y transportar el agua sobrante, anulando o reduciendo su energía al reintegrarla nuevamente al cauce para evitar perjuicios a la propia presa y a los bienes y personas situados aguas abajo. En los aliviaderos se presentan prácticamente todos los problemas de la hidráulica. El aliviadero, con sus exigencias funcionales y de espacio, influye y hasta condiciona la estructura resistente, motivando muchas veces la elección de su tipo. Para concebir y proyectar los aliviaderos de una presa hay que plantearse cuatro problemas fundamentales: - Crecida máxima previsible. - Características del conjunto embalse-aliviadero-cauce aguas abajo más adecuadas para hacer frente a dicha crecida máxima y a otras más frecuentes. - Reparto de caudales a evacuar entre los distintos aliviaderos (superficie, fondo y medio fondo). - Tipo de cada uno de estos aliviaderos. Estos problemas son de planteamiento esencial y afectan a la concepción misma de los aliviaderos. Una vez fijadas estas características fundamentales, hay que proyectar los diversos aliviaderos. No debe elegirse la estructura de la presa sin tener en cuenta el aliviadero, tampoco puede decidirse éste olvidando su posible influencia en la estructura. El conjunto es único y, en gran parte de los casos, indivisible. Una buena concepción conjunta dará mayor economía. 8.2. EVALUACIÓN DE LA CRECIDA MÁXIMA Este es el tema fundamental de un aliviadero; por una parte, las dimensiones y el coste dependen directamente de la crecida a evacuar e incluso pueden llevar a modificar el tipo de presa; y, por otra, la determinación de esa crecida suele ser la más incierta de todas las decisiones que tenemos que tomar al proyectar una presa. Una crecida catastrófica puede venir en cualquier momento de la vida de la presa. Ante la poca certidumbre en la evaluación de una magnitud tan importante, debemos tomar un razonable margen de seguridad para tener una amplia garantía de que las crecidas que se presenten no afectarán a la seguridad de la presa, ni causarán al resto del cauce perjuicios suplementarios sobre los que hubiera tenido sin existir la presa ni su aliviadero. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Un aliviadero con capacidad insuficiente para derivar una avenida, hará que el caudal excedente vierta sobre la presa o por algún punto más bajo del embalse pudiendo producir, si eso no está previsto, graves daños e, incluso, la destrucción de la obra. La evaluación de la crecida máxima se puede hacer por los siguientes métodos: - Históricos. - Probabilísticos. - Hidrológicos. - Empíricos. Los métodos históricos no bastan por sí mismos, pues al conocer que ya se ha dado en la historia una cierta crecida, hemos de prever que puede venir otra mayor. En cualquier caso, resulta imprescindible como comprobación de los otros métodos. Dada la dificultad del problema, es preciso acudir a más de un método. Así, entre varios, tendremos más garantías de acierto en una evaluación tan difícil. 8.3. MÉTODOS HISTÓRICOS Para fijar la capacidad de un aliviadero, lo primero que hay que conocer, en un período lo más extenso posible, es la crecida máxima que ya se ha dado. Al mismo tiempo, conviene saber qué otras crecidas menores han ocurrido y con qué frecuencia. La dificultad del estudio histórico tiene dos vertientes: en primer lugar la carencia de datos o insuficiencia de ellos; en segundo lugar, la estimación numérica de la avenida basada en esos datos, que suelen ser niveles y no caudales. De un período contemporáneo se suelen tener datos bastante ciertos. Estos pueden ser: - Los aforos de una estación fidedigna en el mismo río. Aunque el aforo sea en otro punto distinto al de la presa. - Aforos de una cuenca próxima de características similares. Estableciendo una correlación se pueden conocer las crecidas y sus frecuencias. - En cualquier caso, dispondremos siempre de lectura de escala o, por lo menos, de datos ciertos sobre niveles alcanzados por el agua en varios sitios durante la crecida máxima. Estos niveles pueden conocerse por marcas de humedad, barro o vegetales flotantes, etc.; y por referencias de testigos, siempre con precaución ya que las crecidas, por su espectacularidad, mueven a la exageración. Más difícil resulta disponer de datos de un período lejano; sólo podemos recurrir a testimonios escritos, si es que existen. Pero estos testimonios son puramente literarios y no científicos, y hay que someterlos a la crítica para saber si hay o no exageración. De una manera u otra, tendremos más o menos datos sobre crecidas históricas. Lo más que nos darán serán los niveles alcanzados en esas crecidas; a partir de ellos ha de elaborarse un cálculo para estimar el caudal, cosa nada fácil. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Se presentan las siguientes dificultades: - La sección transversal del río puede haber variado, sobre todo si han pasado siglos. Es preciso analizar la tendencia del cauce y completar en lo posible, los datos históricos, para colegir en qué sentido puede haber variado dicho cauce. - Aún conocida la sección transversal, se plantea el problema de saber la velocidad media en esa sección. No sabemos si la pendiente del cauce ha variado en el tiempo; además, en ese tramo el régimen puede no haber sido uniforme, por lo que tendrán que hacerse una serie de estimaciones con distintas hipótesis. Dentro de las hipótesis más probables, tomaremos como buenos los caudales más altos; y si no pudiéramos eliminar algunas hipótesis exageradas, tomaríamos los resultados más altos, para mayor seguridad. Elementos importantes para ayudar en estas evaluaciones son los puentes antiguos, que muchas veces nos ayudan a deducir qué niveles y caudales ha habido desde su construcción. 8.4. APLICACIÓN DE LAS EVALUACIONES A UN ALIVIADERO CONCRETO Hay una serie de razones que nos ayudarán a centrar las dimensiones. Los aliviaderos pueden proyectarse para una cierta crecida, pero con dispositivos que permitan pasar otra superior, si llegara a presentarse, con cuya elasticidad quedamos tranquilos respecto a su funcionamiento. Una razón de bastante peso, que centra las dimensiones, es la proporción entre el tamaño del cauce y el de la obra del aliviadero. El cauce se ha formado a lo largo de la historia de varios siglos y no hay mejor reseña histórica que el propio cauce, porque éste no se ha logrado por la erosión continuada de los caudales normales en esa larga historia, sino por la erosión esporádica, pero brutal, de las grandes crecidas. Son éstas las que amoldan el cauce a la necesidad de su evacuación; y cuando viene una superior a todas las anteriores, al no “caber” en el cauce, lo erosiona y ensancha, y así sucesivamente, hasta que venga una aún mayor. De forma que el cauce de un río, es un testigo de lo que ha hecho la crecida máxima hasta la fecha. Por ello, si al evaluar la capacidad del aliviadero nos pasáramos y la obra no cupiera en el cauce, ello sería indicio de que nuestra evaluación habría sido exagerada, y deberíamos reconsiderar nuestros cálculos y criterios. El quedarse corto en la evaluación es muy peligroso, pues si viene una crecida mayor, y no puede pasar por el aliviadero, saldrá por donde pueda, probablemente vertiendo sobre la presa, o por algún collado bajo del embalse, con posibilidad de erosión y quizá vaciado de aquel. Pero el pasarnos en las dimensiones del aliviadero conduce a un exceso de coste innecesario y, además, lo que es aún peor, puede llevar a que por una falsa maniobra, equivocación avería, sabotaje, etc., se abran las compuertas del aliviadero y se provoque una crecida mayor que la que ha llevado el cauce, provocando erosiones en él y quizás grandes daños a los usuarios aguas abajo. Esto nos plantea una faceta que hay que analizar ya que es de suma importancia. Y para ello vamos a analizar la influencia que la forma de la derivación del aliviadero tiene sobre la evacuación de caudales. En las siguientes imágenes se puede observar el aliviadero de la Presa de Tous, separado del cuerpo central de la presa de materiales sueltos: Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 8.5 PRESAS VERTEDERO La presa suele ser una obra de gran volumen, por lo que no es extraño que se piense en utilizarla también como aliviadero, uniendo las dos funciones y ahorrando el coste de construcción de un aliviadero independiente. Hoy día, se decide un vertido sobre la presa o un aliviadero lateral por consideraciones de tipo fundamentalmente económico, y éste lleva, en general, al siguiente resumen estadístico: - La casi totalidad de las presas de gravedad macizas se construyen como vertederos. - En las aligeradas, algunas (menos del 50%) vierten sobre los contrafuertes o sobre un paramento que cubre los contrafuertes. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS - 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 La mayor parte de las bóvedas exigen aliviadero aparte, aunque también se proyectan con lámina despegada. - Las presas de materiales sueltos exigen en general aliviadero independiente. Presa bóveda de la Almendra sobre el Río Tormes, con aliviadero separado Presa bóveda de Eume sobre el Río Eume, con aliviadero de lámina despegada sobre coronación Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Seguidamente se observan dos imágenes de detalle del vertedero de la Presa de Eume: Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Seguidamente se observan dos imágenes de detalle del vertedero de la Presa de materiales sueltos del Mayés: Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 8.6. ESQUEMA FUNCIONAL DE UNA PRESA VERTEDERO El vertido sobre una presa puede hacerse de dos formas: - Con lámina adherida al paramento. - Con lámina despegada. El primero es el usado casi sin excepción en presas de gravedad o arco-gravedad. El segundo, se usa en presas bóvedas casi exclusivamente. Los incipientes ensayos en presas de materiales sueltos, son siempre de lámina adherida. El vertido con lámina adherida tiene, como todos los aliviaderos tres partes: toma, conducción y reintegro al río, estando reducida la conducción al tramo de paramento de la presa. El reintegro al río suele hacerse, salvo excepciones, por medio de un colchón al pie de la presa, para amortiguar con un resalto la energía de caída. Sólo en casos muy contados el agua se lanza en trampolín, técnica ésta más propia de aliviaderos independientes que, al contrario, es raro usen el resalto. Por esto las técnicas del reintegro al río están bien diferenciadas: colchón amortiguador en presas vertederos, y trampolín para aliviaderos diferenciados. En el caso de un vertido despegado, el aliviadero queda reducido a una toma, y el reintegro consiste en un lanzamiento libre que no es un trampolín, sino una caída con un perfil parabólico. 8.7. PERFIL DEL VERTEDERO En un vertedero de pared delgada, la lámina se despega francamente y tanto su filete superior, como el inferior están a la presión atmosférica. Luego si construyésemos un vertedero grueso cuyo paramento tuviera un perfil coincidente con la forma del filete líquido inferior del vertedero de pared delgada, la lámina ejercería una presión nula sobre el hormigón. La presión nula es difícil de mantener continuamente pues cualquier vibración, onda o discontinuidad puede dar una variación accidental que se traducirá en depresión. Por ello es mejor asegurar que hay siempre una presión positiva remanente sobre la solera, lo que se logra con el llamado perfil Creager. Mientras no se advierta lo contrario, todos los vertidos se hacen con esta norma. Este perfil, depende de la altura de lámina sobre el umbral. La lámina debe ponerse igual a la máxima previsible, pero no hay que preocuparse demasiado de la posibilidad de que la lámina llegue a ser superior a la prevista, pues todo lo que ocurrirá es que la presión de la lámina será menor; incluso si llegara a ser negativa no lo será mucho y, además, tratándose de una circunstancia eventual y extrema e imprevista, no pasa nada porque haya una ligera Depresión durante un tiempo corto. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 8.8. ALIVIADEROS DE LABIO FIJO Tiene un efecto amortiguador o laminador de la crecida. Gracias a él, la punta de la avenida disminuye, la curva de ésta se aplana, se hace menos peligrosa, pero a cambio se alarga y, al bajar los caudales del río, el aliviadero da unos algo mayores, hasta que poco a poco se van igualando. Con un aliviadero de labio fijo no pueden provocarse caudales superiores a los que hubiera dado el río, su funcionamiento es automático y aplanador de la onda de crecida. La ventaja de este tipo de toma es que nos despreocupamos de su funcionamiento, él solo se ocupa de verter cuando es necesario y, además, colabora en moderar la avenida. En cambio tiene el inconveniente contrario: no podemos actuar con anticipación a la avenida desaguando por el aliviadero para impedir que el agua alcance una cierta cota o para crear un volumen vacío de embalse que amortigüe aún más la crecida. En la figura siguiente se esquematiza el perfil axial de un aliviadero con sus líneas características de energía (estática y dinámica), nivel de agua y solera. Se marcan también los tres tramos constituyentes del mismo: toma, conducción o rápida y obra de restitución al río: yc=h La toma está constituida por un vertedero que cumple una doble función: fijar con su umbral el nivel inferior del embalse y la capacidad de desagüe según el nivel del embalse; y formar una sección crítica, con paso de régimen lento a rápido. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 En esta sección crítica, el caudal Qc es el máximo que se puede desaguar en dicha sección con la energía h. Si recordamos el concepto de energía específica en canales, como la energía referida a la solera del canal como nivel de referencia: = + 2 Se puede reescribir la ecuación anterior de la siguiente manera: = + 2 Consideremos ahora el siguiente ejemplo: Una sección trapezoidal de ancho de solera b=0,75, taludes z=1 y caudales de paso: Q=0,20 m3/s y Q=0,40 m3/s: La ecuación de energía quedaría de la siguiente manera: = + 2 (0,75 + ). Q=0,2 m3/s E 2,043 1,300 0,907 0,677 0,534 0,440 0,377 0,260 0,252 0,251 0,253 0,255 0,282 0,320 0,363 0,409 0,505 0,801 1,001 1,400 Y 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 0,15 0,17 0,18 0,19 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,5 0,8 1 1,4 Q=0,4 m3/s 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0,000 0,500 1,000 Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 1,500 2,000 2,500 E 2,217 1,940 1,525 1,235 1,026 0,757 0,600 0,473 0,427 0,381 0,378 0,380 0,383 0,405 0,439 0,521 0,612 0,805 1,003 1,401 Y 0,075 0,08 0,09 0,1 0,11 0,13 0,15 0,18 0,2 0,25 0,27 0,29 0,3 0,35 0,4 0,5 0,6 0,8 1 1,4 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0,000 0,500 1,000 1,500 2,000 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Lo primero que se advierte es que para ciertos valores de H0, existen dos calados posibles (que se llaman conjugados): y1 (menor) e y2 (mayor), a las que corresponden velocidades v1 (fuerte) y v2 (moderada). En cambio, el caudal Qc es el único que puede desaguarse con velocidad vc y calado yc. Las secciones mojadas con y1<yc tienen v>vc; las de y2>yc dan v2<vc. Por eso, el régimen se llama supercrítico o rápido en el primer caso y subcrítico o lento en el segundo. Como sabemos, en régimen crítico y para sección rectangular de ancho L: = = = 2 .ℎ 3 2 . . ℎ = 2,556. ℎ 3 2 . ( . . ℎ) = 1,704. . ℎ 3 Por otra parte, podemos distinguir entre vertederos de pared delgada o gruesa. En los primeros, en el canal se interpone un umbral de espesor despreciable, de tal modo que se genera un chorro que pasa a la atmósfera, tal y como se ve en la imagen siguiente: Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Por otra parte, están los vertederos de pared curva, que es el más utilizado en presas, y cuya forma se acomoda a la de la lámina libre inferior de un vertedero de pared delgada. Hay muchos diseños pero destacan el Creager y el del US Bureau: Perfil Creager: Perfil US Bureau: Perfil basado en arcos de circunferencia: Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Seguidamente se adjunta el cálculo del caudal de un vertedero de pared gruesa, como los utilizados en presas: CÁLCULO DE CAUDAL MÁXIMO DE PASO POR VERTEDERO TIPO CREAGER COTA UMBRAL DE VERTIDO= COTA FONDO CANAL PREVIO AL CREAGER CAUDAL DISEÑO (HIPÓTESIS EXTRAORDINARIA): 8,40 4,66 msnm msnm 27,17 [m /s] 3 FÓRMULA DE VERTEDERO DE PARED GRUESA: Q donde: 2 Cd L 2g H 3 C d 0 , 611 0 , 08 H W 3 2 : Fórmula de Rehbock Cd= L= H= W= Coeficiente de descarga Longitud umbral de vertido Altura lámina de agua sobre el umbral de vertido Altura del canal de aproximación previo al Creager K= =2/3*Cd*(2*9,8) = Coeficiente del vertedero Creager (Valor normal de K entre 1,7 y 1,8) Q K LH 3 2 0,5 L [m] H [m] W [m] H/W Coeficiente Descarga (Cd) 20,00 0,81000 3,74000 0,21658 0,62833 K K CAUDAL (*) (S/ Rehbock) (S/ USBR) [m /s] Velocidad de aproximación del canal (**) [m/s] 1,85543 1,75000 27,05210 0,297 Y el Perfil Creager: PERFIL CREAGER DE LA SECCIÓN DEL VERTEDERO Lámina Lámina Coordenada Paramento Y Superior Inferior x 0,000 0,100 0,200 0,300 0,400 0,600 0,800 1,000 1,200 Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 -0,102 -0,029 -0,006 0,000 -0,006 -0,049 -0,115 -0,208 -0,322 0,673 0,650 0,625 0,599 0,569 0,488 0,414 0,308 0,177 -0,102 -0,029 -0,006 0,000 -0,006 -0,051 -0,124 -0,216 -0,332 3 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 PERFIL DEL VERTEDERO 0,800 Paramento Y Lámina Superior 0,600 Lámina Inferior Y 0,400 +8,40 msnm 0,200 0,000 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 -0,200 X -0,400 Ejemplo: Aliviadero de labio fijo de pared gruesa con perfil Creager en la presa de la Fuensanta: Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Este tipo de vertedero es también el empleado en presas de laminación pura de avenidas o “presas de agujero”, como la Presa de Doña Ana, sobre la rambla de igual nombre: Seguidamente se adjuntan los detalles constructivos de esta presa: Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 8.9. ALIVIADEROS CON COMPUERTAS Si queremos gobernar a voluntad el desagüe del aliviadero y controlar el nivel del embalse, tenemos que poner unas compuertas en la toma. Estas pueden dar paso al agua por encima (compuertas de sector), o por debajo. En este caso las compuertas pueden ser de segmento (o Taintor) o planas; estas últimas con diversos sistemas de movimiento. Todas estas compuertas pueden moverse a voluntad o por medio de un mecanismo automático. Las compuertas pueden estar cerradas o abiertas, parcial o totalmente. Gracias a esto podemos desaguar por ellas el caudal que deseemos y bajar o subir el nivel del embalse según desagüemos un caudal superior o inferior al que entre en él. Esto puede ser importante o incluso fundamental, cuando hay agua arriba de la presa una población, vía de comunicación... En las imágenes siguientes podemos observar el sistema de aliviadero por superficie con labio fijo con compuertas de paso de agua por encima, aliviadero separado del cuerpo de presa, de la Presa de Talarn en Lleida: Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Trabajos de acondicionamiento de las compuertas Taintor de superficie de la Presa de Guadalest: Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Seguidamente se adjuntan los planos de detalle de las compuertas, en posición abierta y cerrada: Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 8.10. ELECCIÓN DEL TIPO DE TOMA La toma de un aliviadero ha de tener la forma y dimensiones adecuadas para derivar el caudal de proyecto. Esta función hace que la buena concepción de la toma sea fundamental para la seguridad de la presa, pues un inadecuado proyecto limitaría el caudal y podría provocar el desbordamiento del embalse por encima de la presa. Es en la toma donde se plantea el problema de hallar una solución de compromiso para hacer frente a crecidas catastróficas sin sobredimensionar en exceso el aliviadero. En el caso de vertederos con toma de labio fijo, el embalse normal viene fijado por el umbral ya que, en cuanto suba el agua por encima de él verterá, y no podrá retenerse. En cambio con una compuerta, podemos utilizar el embalse comprendido entre el umbral y la cota límite a voluntad y normalmente, porque cuando haya caudales excedentes basta abrir más o menos las compuertas. ¿Por qué, entonces, no se usan siempre compuertas si llevan a una ganancia de embalse? Pues porque hay casos en los que puede estar indicado un labio fijo o al menos, no estar tan clara la decisión como son los siguientes: a) A veces no es tan absoluta la necesidad de mantener el agua por debajo de un cierto nivel. En estos casos, puede bastar que el embalse normal esté a una cierta cota y permitir accidentalmente una sobreelevación que no afecta a propiedades y que sólo produce mayor carga sobre la presa. b) Puede conseguirse reducir a un mínimo el embalse perdido con un labio fijo alargando suficientemente el vertedero para que, correlativamente, la lámina se haga menor para el caudal límite. c) En materiales sueltos, si hay avería en una o más compuertas y eso llevase a verter el agua por encima de la presa, ésta podría desintegrarse por la erosión. d) Lo mismo ocurre en los pequeños embalses situados en cuencas de corta superficie, en los que la inercia superficial es casi nula y una lluvia súbita puede formar una crecida casi sin dar lugar a verificar la maniobra de las compuertas. Y también en presas en lugares de cierta dificultad de acceso. En estos casos puede ser casi obligado el labio fijo para evitar mantener un servidor de las compuertas y las dificultades de su reparación. e) Por último, hay casos intermedios en los que la elección es puramente económica. La gran ventaja de las compuertas que es la posibilidad que dan para evacuar caudales cuando se considere conveniente, se puede convertir en un grave defecto, si esta facultad no se usa bien. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 8.11. INFLUENCIA DEL TIPO DE CONDUCCIÓN La conducción de un aliviadero puede ser: - En lámina libre (sin presión). - En presión. Dentro del primer tipo podemos incluir los vertederos sobre la presa, ya que en esos casos ésta actúa como canal. Una conducción en lámina libre tiene una gran flexibilidad para admitir caudales superiores al nominal, pues basta que la lámina de agua suba para que el desagüe aumente. Por tanto, si llegara a producirse una crecida superior a la máxima estimada, lo único que pasaría es que aumentaría consiguientemente el espesor de la lámina en el canal; si hay resguardo suficiente –como es lo normal- no se llegaría a producir vertido, pero si el resguardo no bastase, se produciría un desborde lateral que es muy probable no tenga gran importancia ni haga daños notables. Si la conducción fuera en túnel, éste suele llevar también un cierto resguardo, pero en este caso el margen tiene un límite, pues a partir de una cierta altura, la sección de aire que queda es insuficiente para ventilar y la menor oscilación del nivel puede obstruir el paso del aire y poner el túnel en presión. A partir de ese momento el túnel funciona mal, con intermitencias, y si la altura de lámina siguiese aumentando, se pondría definitivamente en presión. El túnel en presión es un sistema muy rígido, pues sólo sirve para una gama de caudales relativamente estrecha. Esto hace que su uso sea condicionado a que se empleen simultáneamente con otro u otros aliviaderos de funcionamiento más elástico. Vista desde el camino de coronación del paramento de aguas abajo y cuenco amortiguador de la Presa de Guadalest. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 8.12. NORMAS PARA FIJAR LAS CARACTERÍSTICAS DE UN ALIVIADERO Para el cálculo de las características básicas de un aliviadero, vamos a seguir la Instrucción. Estas características serán caudal máximo nominal, margen de caudal y nivel de embalse, tipo genérico del aliviadero, etc. Vemos a continuación los artículos de la Instrucción que nos interesan: Artículo 14.2. Habrá de incluirse en el proyecto una recopilación de datos históricos. El estudio no deberá limitarse a los caudales, sino a sus causas determinantes (precipitaciones, escorrentía, fisiografía...). Artículo 14.3. Habla de la necesidad de establecer la correlación entre caudales máximos anuales y períodos de recurrencia por varios métodos. Artículo 14.7. A efectos de la capacidad del sistema de desagüe (art.18), se denominará “avenida máxima” aquella cuyo período de recurrencia sea de 500 años. A los mismos efectos, llamaremos “avenida normal” a aquella cuyo período de recurrencia sea como máximo 50 años, pero calculada siempre con vistas a no alterar, de modo esencial, la condición de riesgo preexistente. Podrá ser mayor en el caso de que inmediatamente aguas abajo del emplazamiento de la presa existiera un embalse de capacidad suficiente para laminar la avenida prevista, o por otras circunstancias que se justificarán debidamente. Artículo 18.2. En todo caso deberán cumplirse las siguientes condiciones: a) La suma de los caudales que puedan ser evacuados por todos los dispositivos sujetos a control, con el embalse a su máximo nivel normal, no será superior al caudal de la avenida normal. b) Cuando todos los dispositivos de desagüe sean de lámina libre, o bien se proyecten estos unidos a desagües controlados por compuertas, será preciso que la altura de la presa asegure un resguardo que permita la evacuación del caudal de avenida máxima. Artículo 18.3. Se considerará la posibilidad de reducir el riesgo aguas abajo de la presa mediante el resguardo del embalse, aliviaderos de sección acotada u otros medios cualesquiera, y prever su repercusión económica en la rentabilidad de la obra. Artículo 18.4. Ninguno de los desagües puede dar lugar a erosiones que puedan poner en peligro la estabilidad de la presa. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Artículo 18.5. Se recomienda el modelo reducido hidráulico cuando se trate simplemente de formas sancionadas por la práctica, siendo obligatorio cuando existan circunstancias especiales. 8.13. INFLUENCIA DEL TIPO Y NÚMERO DE COMPUERTAS El artículo 19 de la Instrucción, completa las condiciones que deben reunir los aliviaderos de superficie. Vamos a ver las ideas fundamentales: Artículo 19.2. Los aliviaderos dotados de compuertas estarán divididos, al menos, en dos vanos (en caso de avería, con un vano no tendríamos defensa ante una avenida). Artículo 19.3. Las compuertas de los aliviaderos deberán poderse maniobrar con energía procedente de dos fuentes distintas y accionarse también a mano. Artículo 19.4. Si se instalan compuertas automáticas, el número de las mismas no podrá exceder de la mitad del total de las proyectadas. Deberán estar provistas de dispositivos que les permitan comprobar su automatismo sea cualquiera el nivel del embalse. Artículo 19.5. El estudio del desagüe de una avenida cuyo período de recurrencia no sea inferior a 100 años, será preceptivo para el caso en que esté averiada y cerrada una de las compuertas del aliviadero. Para esta circunstancia se tendrá en cuenta: a) El efecto laminador del embalse entre los niveles máximos, normal y de crecidas. b) El caudal evacuado sobre la compuerta averiada. c) Los caudales que puedan evacuarse por otros órganos de desagüe hasta el límite con el que pueda garantizarse su funcionamiento, de acuerdo con el nivel del embalse. También se podrá considerar la posibilidad de incrementar la capacidad de desagüe por sistemas de emergencia. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 8.14. EFECTOS DE UNA SOBREELEVACIÓN DE NIVEL EN UNA PRESA Al aumentar el nivel de la presa, el empuje se aumenta. En presas de gravedad (macizas o aligeradas), este aumento del empuje puede ser importante, pues su estabilidad al deslizamiento disminuye con el empuje. Y la elevación del punto de aplicación puede afectar también a la resistencia, pues el aumento del par de vuelco puede conducir a que la resultante se salga del núcleo central y aparezcan tracciones. Por ello, las presas de gravedad son muy sensibles a la sobreelevación del nivel y, en ellas, se trata de restringirlo en lo posible, para evitar un defecto de resistencia o un exceso de coste. Las presas arco, aunque no dejan de acusar el aumento del empuje, son menos sensibles a él, pues los arcos ven aumentada su presión, pero no tanto la distribución de esfuerzos como en las de gravedad. Salvo los arcos superiores, el resto de la estructura admite mejor el incremento del empuje. En cualquier caso, hay que calcular la estructura para el nivel máximo alcanzable, aunque sea en circunstancias extraordinarias, pues la seguridad de la presa no se puede arriesgar ni en esos casos remotos y extremos. Pero la Instrucción, como ya sabemos, admite que en esos casos sean menores los coeficientes de seguridad. En las presas de materiales sueltos el mayor empuje tiene menor efecto relativo, porque va acompañado de un aumento simultáneo del peso estabilizador del agua sobre el talud de aguas arriba. Además, en estas presas el efecto más importante es el de la presión intersticial que no varía apreciablemente, pues esta sobreelevación suele producirse en un período de tiempo muy corto. De consecuencias más importantes puede ser el efecto mismo del mayor nivel, por el peligro de vertido sobre el cuerpo de la presa. Para prevenirlo, hay que dejar un amplio resguardo o margen libre hasta coronación, lo que supone un aumento de obra, aunque poco notable, en general. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 desagües profundos. Además del aliviadero de superficie, la presa debe tener otros desagües a ciertas profundidades. Llamaremos desagües profundos a aquellos que tengan su umbral más bajo que el umbral del aliviadero de superficie. Estos desagües se llaman de fondo cuando son muy profundos, e intermedios o de medio fondo los que están más bajos que el aliviadero de superficie pero más altos que las tomas. funciones del desagüe de fondo. 1.- Permitir bajar el nivel del embalse por debajo de las tomas de explotación por las razones que luego veremos. 2.- Ayudar a realizar la operación de cierre del desvío del río en la fase final de la obra. Esta función, aunque de duración limitada, es tan importante que en la mayor parte de los desagües de fondo se convierte en la más exigente y real. 3.- Limpiar la parte baja de la presa de los acarreos que se depositen. El desagüe de fondo es de instalación obligada. Los desagües intermedios pueden existir o no y su misión es ayudar a bajar el nivel del embalse o colaborar en la evacuación de crecidas con el aliviadero de superficie. nivel mínimo del embalse. El embalse debe oscilar entre dos niveles máximo y mínimo. El nivel máximo normal del embalse viene fijado por consideraciones de tipo funcional y económico: capacidad necesaria, altura del salto, coste de la presa y las expropiaciones... El nivel mínimo viene fijado por el consiguiente conjunto de consideraciones también funcionales y económicas: 1.- Debe dejarse bajo las tomas un cierto margen de reserva para que se depositen los materiales sólidos en suspensión, para evitar que el depósito llegue a obstruir total o parcialmente las tomas. 2.- Si nos limitásemos a dejar esta reserva en la parte baja del embalse, sólo salvaríamos las tomas durante cierto tiempo, pues la acumulación de depósitos sólidos seguiría aumentando y llegaría a alcanzarlas más o menos tarde. Por ello es necesario prever un desagüe suplementario, independiente de las tomas y por debajo de ellas, para permitir la limpieza esporádica de estos acarreos. Cuando haya exceso de aportaciones y sobren, puede hacerse pasar el agua por el desagüe de fondo, contribuyendo a la limpieza de la presa (en vez de dejar que se vierta por el Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 aliviadero). 3.- La capacidad de reserva para acarreos, depende del porcentaje de material de suspensión que traiga el río y de la frecuencia previsible de accionamiento del desagüe de fondo, así como de su capacidad. Sólo interesan a este efecto, los finos que van en suspensión, pues los que arrastra por el fondo (más gruesos) se van depositando en la cola del embalse. 4.- Si del embalse sale una conducción en presión hay interés en que ésta sea la menor posible. Al bajar la situación de la toma, se baja consiguientemente el nivel de explotación del embalse, pero se aumenta la presión en la galería. A partir de un cierto nivel, no compensa el sobrecosto provocado por el aumento de la presión. 5.- En un embalse para abastecimiento o riegos, la cota de la toma puede venir fijada por la zona a servir y, consiguientemente, el nivel inferior del embalse. 6.- Si la función principal del embalse fuera la producción de energía y ésta llevase a fijar una determinada cota para la toma que dejase muerta una capacidad de cierto interés como reserva líquida, ésta podría usarse también para riegos o abastecimientos por medio del desagüe de fondo. Eso llevaría a interrumpir la producción de energía hasta que, de nuevo, el nivel del embalse alcanzase la toma, pero puede suceder que la falta de producción energética esté compensada con el beneficio de suministrar agua a una zona en momentos graves. 7.- por esto, en los embalses de uso múltiple puede suceder que haya varias tomas para los distintos usos, anulando las más bajas a las superiores. 8.- Así, obtendremos varias cotas de embalse mínimo, y hemos de decidir con todos ellos una sola cota definitiva para la toma, o varias si son varios usos. Por debajo de esa cota mínima sólo puede actuar el desagüe de fondo, y esto con utilización sólo extraordinaria y justificada, pues entrañaría la anulación de las tomas y usos consiguientes para los que realmente está hecho el embalse. vaciado del embalse. función de los desagües profundos. El desagüe de fondo no sólo puede cumplir la misión extraordinaria de permitir bajar el embalse por debajo de las tomas, sino también cuando el embalse está alto, sea ayudado por las tomas o con independencia de éstas. El vaciado total o parcial puede ser necesario cuando ocurre alguna anomalía importante en el comportamiento de la presa. Ante un defecto de comportamiento de la estructura puede bastar un descenso relativamente moderado; si el defecto es grave, habrá que proceder a un vaciado importante, pero que muy rara vez será total. Si se trata de una filtración importante, para lograr disminuirla sensiblemente será preciso bajar el embalse de forma notable, hasta cerca del nivel donde ocurre la filtración. En cualquiera de estos casos, la disminución de nivel conviene hacerla rápidamente para evitar que Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 el mal pueda aumentar. Las tomas no son elementos seguros de desagüe, pues dependen de la explotación y ésta puede no permitir el paso del agua; por eso, los verdaderos elementos de vaciado son los desagües profundos, pues sólo ellos pueden actuar con independencia y están previstos para esta función. El descenso de nivel del embalse se verifica con caudales decrecientes según los siguientes tramos: 1.- Parte superior. Desde el nivel máximo hasta el umbral del aliviadero. La acción de éste permite un desagüe intenso, sólo limitado por no provocar una crecida excesiva aguas abajo. A pesar de la magnitud del caudal evacuable, el descenso de nivel puede ser lento, ya que esa parte superior tiene un volumen por metro mayor que en el resto de la altura. 2.- Parte intermedia. Entre el umbral del aliviadero y la toma de explotación. Desaparece la acción del aliviadero y sólo queda la del desagüe de fondo y la del o los desagües intermedios, y la de la primera toma. El caudal evacuable es mucho menor que en el tramo superior, pero el descenso puede ser más rápido por afectar a una zona de menor volumen por metro de altura. 3.- Parte inferior. Por debajo de la toma y hasta el desagüe de fondo. Sólo puede actuar éste y con caudal menor, por tener menos carga, pero como el embalse por metro de altura es pequeño en esta zona, no tiene importancia esa menor capacidad de vaciado. Por debajo del desagüe de fondo es obvio que no puede vaciarse el embalse restante. función limpiadora del desagüe de fondo. Hay algunos de aguas tan limpias que prácticamente no necesitan un desagüe limpiador, aunque sí lo necesitan para vaciar. En el otro extremo están los que llevan tal cantidad de material en suspensión que en ellos, la función principal del desagüe de fondo es la de limpieza, sin dejar por eso de ser útil como seguridad de vaciado. El desagüe de fondo limpia los depósitos por erosión y arrastre; para lo cual ha de crear alrededor de él una suficiente velocidad. La limpieza será intensísima hasta unos 15 m. de distancia, suficiente desde 15 a 25 m., muy moderada de 25 a 40 m. y prácticamente nula a partir de esta distancia. La limpieza se extenderá más allá por efecto del talud natural que tiene que tomar el material, que si es fino, será bastante suave. Se ve que el desagüe de fondo no alcanza en su función limpiadora más que a una zona dentro de un radio de unas pocas decenas de metros, que se amplía después en forma cónica por el talud natural. La toma debe situarse dentro de la zona a la que alcanza directamente la erosión y, si es posible, en la de altas velocidades. precauciones en el funcionamiento del desagüe DE FONDO Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 Este desagüe, además de la dificultad ya grande que procede de la gran presión a la que está sometido y que supone unos notables esfuerzos sobre las válvulas, tiene encomendada una misión de por sí dura; desaguar una mezcla, bastante densa, de sólido y líquido. Cuando se descuida durante largo tiempo el accionar el desagüe de fondo, los sedimentos se consolidan y pueden llegar a taparlo. El peligro de obstrucción es el más extremo, pues puede ser definitivo e irreversible. Para evitar la obstrucción, debe accionarse el desagüe cada cierto tiempo, antes que los sedimentos suban demasiado. Hoy día, se tiende cada vez más a hacer el desagüe de fondo amplio, para que su acción limpiadora sea enérgica. El efecto más peligroso es el cierre, pues ha de efectuarse con altas velocidades, por lo que no debe escatimarse la calidad de las válvulas. El funcionamiento normal de un desagüe de fondo es abierto totalmente, sólo de esta forma se consigue la máxima velocidad de arrastre. evolución de la función del desagüe a lo largo del tiempo. En la primera fase de la vida de la presa, es rigurosamente esencial disponer de la posibilidad de rebajar el nivel del agua con la máxima rapidez posible. Otra misión muy importante de éste es ayudar en el desvío del río durante la construcción y sobre todo en la operación de cierre de ese desvío. Conforme la presa va avanzando en su explotación, normalmente van desapareciendo los defectos e incertidumbres que pueden existir al principio. De hecho ocurre muchas veces que el desagüe de fondo deja de usarse bastante tiempo. Cuando esto sucede, suele haber el temor de funcionarlo y que no se pueda volver a cerrar, lo que lleva a no tocarlo indefinidamente. Se llega así a un círculo vicioso: como no es necesario usarlo, no se usa; y como deja de usarse, no tiene garantía de funcionamiento. condiciones que exige la INSTRUCCIÓN. Respecto a la capacidad, exige que con el nivel del embalse a la mitad de la altura de la presa: - Los de fondo desagüen por lo menos el caudal medio del río. - El conjunto de los de fondo e intermedios deberán poder desaguar el triple del caudal medio. Añade que todos los desagües profundos se proyectarán para funcionar correctamente, en cierre y apertura, con la carga total del embalse. Termina concretando que como mínimo habrá dos desagües de fondo y que todos los profundos Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 deben tener doble cierre y deberán poderse accionar a mano y mecánicamente con energía procedente de dos fuentes distintas. CONSTITUCIÓN de un desagüe de fondo. Debe ser doble y cada uno de los dos desagües en paralelo debe llevar dos válvulas en serie. La válvula situada agua abajo es la que funciona realmente, abriendo o cerrando; la de agua arriba es de reserva y seguridad, y sólo debe cerrarse o abrirse estando la otra cerrada. ventilación. Ya se ha citado que es importante que la lámina de agua esté perfectamente ventilada. La falta de aire se traduce en una fuerte depresión, pues el chorro a altas velocidades lo arrastra, por lo que si no hay nueva aportación gaseosa acaba produciéndose un vacío que puede ser intenso. Con estos vacíos se produce el efecto de cavitación, que destroza el hormigón próximo e incluso la propia válvula. Por eso es obligado asegurar una amplia ventilación; para lo cual, aparte de impedir que el chorro obstruya el paso del aire, hay que hacer que éste llegue desde el exterior por medio de un pozo o tubería especialmente destinada a la ventilación. Esta tubería debe ser amplia para que pueda dar un buen caudal de aire. En los desagües de fondo en túnel es inevitable el deterioro por causa de la fortísima erosión producida por el agua a tan altas velocidades. En esas zonas, o se acepta la necesidad de reparación periódica, o es preciso blindar con chapa el hormigón. Estos blindajes han de anclarse bien. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 desvío del río. Para construir la parte de presa que está en el cauce, es preciso desviar el río para trabajar en seco. Hay dos formas de dejar en seco la zona de obra: - Desviando el río totalmente por un cauce artificial. - Dejando en seco sólo una parte del cauce y concentrando el paso de la corriente por el resto, ejecutando así de forma sucesiva la obra. El problema fundamental es el caudal tope que vamos a desviar; la determinación del mismo ha de hacerse sobre el siguiente dilema: - Si nos quedamos cortos, las avenidas superiores a la capacidad del desvío verterán por la obra de derivación y pasarán por el antiguo cauce natural, inundando la obra que estamos haciendo. - Si, para evitar esto, hacemos un desvío muy amplio, su coste puede ser excesivo. El criterio suele dar al desvío una capacidad suficiente para que pasen por él las avenidas normales durante el período más delicado de la obra, a sabiendas que, si durante ese plazo se presenta una mayor, la inundará. Es un riesgo que hay que correr. Podemos conocer la probabilidad de cada crecida, pero es difícil saber los daños que puede producir en la obra; evidentemente, no son iguales los daños que tendrían al inundarse unos bloques de hormigón, que el terraplén de una presa de materiales sueltos. De todas formas se aconseja hacer el desvío más bien amplio, pues las perturbaciones que sufre la obra compensan, en general, un mayor coste del desvío. Lo difícil suele ser estimar la crecida máxima a prever para el aliviadero; en cambio, las crecidas que se presentan con frecuencia anual son perfectamente conocidas e incluso las de frecuencia de 2 a 5 años. El problema de la fijación del caudal máximo suele influir más en los desvíos totales que en los parciales. Todos estos matices hay que tenerlos en cuenta al fijar el caudal a desviar. Con el objeto de fijar ideas, damos a continuación algunas reglas prácticas. - Si la obra es de hormigón, puede ponerse la avenida probable durante su período de construcción con un margen del 20%, o bien hacer el desvío para un caudal del orden de 5 a 10 veces el medio del río, según lo largo que sea el período de construcción. - Si se trata de una presa de materiales sueltos, el caudal probable durante el período de construcción se aumentará en un 50% y hasta un 100%, dependiendo de la importancia de los daños posibles. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 desvío total. DESCRIPCIÓN. Consiste en la ejecución de un cauce artificial, para lo cual hay que hacer una presa provisional que produzca el remanso suficiente para que el agua entre por el nuevo cauce, que es una conducción que transporta el agua desviada hasta un punto agua abajo de la obra. La presa provisional de desvío se llama ataguía. A veces es necesario hacer otra agua abajo de la obra a proteger, para evitar que las aguas desviadas puedan inundar aquella por retroceso. Esta segunda presa se llama contraataguía o ataguía agua abajo. En cauces de bastante pendiente, ésta puede hacer innecesaria la contraataguía, pero cuando la pendiente es suave es inevitable. La conducción de desvío se hace en presión o sin presión. La ataguía es un azud de corta altura que debe estar previsto para verter los caudales que no quepan por la conducción. El caudal previsible de vertido ha de ser, obviamente, bastante mayor que el del desvío. En los casos en que la ataguía es fácil de reparar o reconstruir y entonces se puede disponer sólo para un vertido mínimo o nulo. desvío total en presión. Si el túnel va en presión siempre, ha de salir al río en un punto D por debajo de él, para lo cual, después de la toma habrá un tramo de fuerte pendiente, seguido de otro normal y terminando en otro en contrapendiente. Así queda asegurado el régimen en presión para todos los caudales, evitando el cambio de presión a lámina libre. A cambio, la obra resulta un poco más complicada, al estar el túnel más bajo que el río y, además, el túnel puede llenarse de acarreos, prácticamente imposibles de limpiar. La sección del túnel viene determinada por la velocidad elegida para el caudal máximo. Esta velocidad puede ser elevada, pues como la obra es provisional no importa su deterioro, mientras dure el plazo requerido. La máxima economía de un desvío es función a la vez del coste de la ataguía y de la conducción. Esta es tanto más económica cuanto mayor sea la velocidad máxima; una velocidad pequeña permitirá una ataguía baja, pero la conducción será más cara, ocurriendo a la inversa con una velocidad grande. Además de la altura necesaria para V2/2g, es necesario prever un suplemento del 30-50%, y no menos de 0,5-1,0 m., para las pérdidas de carga en la entrada que suelen ser fuertes en estas obras, pues por ser provisionales, se hacen más burdamente. En cualquier caso se recomienda huir del optimismo en la determinación de rugosidades y pérdidas, y dimensionar la ataguía con un margen de prudencia para asegurar el paso del agua en las condiciones habituales de este tipo de obras. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 desvío en lámina libre. Para evitar los defectos antes señalados, se puede hacer el desvío con régimen de lámina libre. Es indiferente que la conducción sea en túnel o exterior, pues el funcionamiento hidráulico sólo depende de que la lámina esté en contacto con la atmósfera. En la ataguía se produce la altura necesaria para V2/2g. Para pasar de la velocidad pequeña en el remanso producido por la ataguía a la importante en la conducción, puede hacerse un tramo corto inicial con fuerte pendiente o dejar que ese tránsito se produzca naturalmente por medio de la pendiente superficial. Este último procedimiento tiene el inconveniente de desconocer el sitio donde se formará el régimen crítico y, por tanto, la forma de la lámina. Aquí, las advertencias sobre la altura de la ataguía para lograr la velocidad supuesta y lo razonado de la variación del coste con la velocidad, son iguales que en el supuesto anterior. El desvío en lámina libre tiene sobre el que va en presión, tiene como ventajas, mayor facilidad de construcción, menor peligro de aterramientos y menor dificultad para su limpieza y extracción; además, de tener mayor elasticidad de desagüe frente a crecidas mayores a la supuesta, pues una sobreelevación pequeña de nivel influye muy poco en el desagüe de una conducción en presión y bastante en una de lámina libre. La mayor parte de los desvíos se proyectan en lámina libre. desvíos parciales. Cuando el cauce es ancho y los caudales elevados costaría mucho construir un cauce artificial; por otra parte, la amplitud del cauce permite estrecharlo accidentalmente durante el período de obra. Se empieza construyendo un recinto, a cuyo resguardo se hace la primera zona de la presa hasta alcanzar una altura suficiente. Después o al tiempo, se hace la zona opuesta (la otra orilla), haciendo la segunda zona de la presa. Conseguidas ya dos zonas firmes, se apoya en ellas el tercer recinto haciéndose la zona central de la presa. Es obvio que este sistema ha de aplicarse a presas de hormigón. Los recintos pueden ser de cualquier forma en planta, con alineaciones rectas o curvas; esta última es muy usada cuando se utilizan tablestacas, pues la forma circular ayuda a la resistencia contra el empuje del agua. En cuanto a número, los recintos pueden ser 2, 3 ó más según los casos. Exige una planificación completa y detallada, para organizar sin fallos las distintas fases de la operación. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 ataguías. Son azudes vertederos, pero provisionales y destinados a dar servicio sólo por un corto período (1-4 años). Pueden ser totalmente de fábrica o estar formadas por una sola zona de vertedero en hormigón y el resto con un dique de material suelto. En este caso, este dique ha de tener sólo la consolidación que exija su misión provisional. La impermeabilización del dique se puede lograr atravesándolo posteriormente con tablestacas. La zona de vertedero se hace con un perfil Creager. No es necesario siempre cimentarlos en roca, bastando que aguanten los vertidos sin arruinarse. La única observación importante respecto a ese punto es pensar bien que influencia puede tener el azud en la seguridad del personal. Los recintos se pueden hacer también con terraplén impermeabilizado con tablestacas o con pilotes o inyecciones. Las contraataguías presentan normalmente muchos menos problemas que las ataguías, ya que tienen los siguientes atenuantes funcionales: - Su altura ha de ser la estricta para contener la lámina de agua que pueda llegar a formarse agua abajo, a la salida del túnel de desvío. - Al ser de una altura menor, se simplifica no sólo su construcción, sino su función de vertido. La contraataguía puede no ser necesaria cuando la pendiente del cauce sea suficiente para que el agua siga por el cauce con una cota máxima de lámina inferior al nivel del cauce en el lugar de trabajo. También puede ocurrir esto con pendiente suave, cuando el túnel de desvío reintegra el agua al cauce en un punto muy alejado del lugar de la obra. Tanto la ataguía como la eventual contraataguía han de calcularse teniendo en cuenta la excavación a realizar, pues es obvio que ésta puede influir de forma decisiva en su estabilidad. túneles de desvío. Si el túnel está suficientemente alto sobre el río, puede perforarse sin cuidado especial. Únicamente habrá que estar atento a posibles crecidas de cierta entidad que, al elevar el nivel de agua, pudieran inundar las obras. Según los casos, la frecuencia de tal posibilidad o los daños previsibles, se adoptarán unas u otras medidas de precaución. Si el túnel se proyecta en presión, su trazado irá casi totalmente por debajo del nivel del río. Para perforarlo habrá que utilizar galerías de ataque inclinadas por ambas bocas. Estas galerías pueden ser en algunos casos los mismos tramos de entrada y salida, aunque entonces será preciso proceder a un retoque posterior. Como esos retoques son difíciles de hacer o incluso, imposible utilizar como ataques la entrada y salida definitivas, es muy frecuente utilizar galerías de ataque auxiliares Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 independientes de la entrada y salida definitivas. Son túneles inclinados cuya traza se sitúa en la forma más apta para lograr la mínima longitud compatible con la pendiente y un buen lugar de emboquillamiento, y suficientemente alto y con buen acceso. A veces hay que acudir también a estas galerías de ataque auxiliares en túneles de desvío sin presión, aunque entonces son más cortas, dado el mayor nivel del túnel. Los túneles de desvío sólo se revisten en los casos en que resulta necesario en función a la resistencia a la erosión del agua. Cuando el revestimiento es preciso, hay que hacer ataguías de protección, normalmente con sacos en forma parasemicircular, y que como son de poca duración, no tienen grandes exigencias. Las bocas, particularmente la de salida cuando está por bajo del río, son obras dificultosas y, como su objeto se ciñe a la duración del desvío, tampoco hay que hacerlas perfectamente. La voladura final de una de estas bocas se hace de golpe. OPERACIÓN de desvío del río. Es una operación delicada y difícil, por lo que hay que desechar toda idea de perfección; eso sí, debe preverse todo cuidadosamente y después ejecutarlo con orden y sobre todo, con rapidez en sus últimas fases. La evolución normal suele ser así: - Se perfora y reviste (si es necesario) el túnel de desvío y sus bocas, si el nivel de éstas respecto al río lo permite. - Si las bocas están bajas, se hacen posteriormente, previa protección con ataguías ligeras eventuales o por medio de voladuras. - Si la boca de entrada está baja, al hacer su voladura, el agua del río penetra en el túnel, y si también está perforada la boca de salida, el río quedará desviado, al menos parcialmente. Si la boca de entrada está alta, no pasará el río por ella hasta que la ataguía del cauce haya llegado a un nivel suficiente. - La ataguía de la presa, salvo que esté reducida a su mínima expresión, no es una obra fácil de ejecutar mientras el río pase por el cauce. Por ello, se suele hacer parcialmente, según lo permita el río, hasta que la última parte resulte imposible sin desviarlo. - Una vez hecho el desvío del río, puede procederse al cierre final de la ataguía. Consiste, en general, en echar al río lo más rápidamente posible, escollera, gaviones o piedras para obstruir su paso por el portillo que quede en la ataguía. La operación ha de estar preparada y debe ser rápida, pues sino, el río acabará arrastrando las piedras y materiales echados y habrá fallado la operación. Hay que intentar echar elementos grandes para dificultar su arrastre. También se pueden hincar previamente perfiles metálicos en los acarreos para que ayuden a sujetar las piedras que echamos después; o Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 incluso mallas metálicas. Esta operación será tanto más fácil cuanto más bajo esté el umbral de entrada del túnel. - Una vez conseguido el cierre provisional, se procede a su afianzamiento, para lo que pueden echarse elementos de tamaño decreciente con objeto de que vayan penetrando en los huecos del tapón. Hay que contar con la necesidad de disponer bombas de agotamiento agua abajo de la ataguía. - Desviado el río y reducidas las filtraciones, se puede terminar la ataguía, si aún falta recrecer su altura o reforzar las inyecciones de consolidación... Para mayor facilidad de las operaciones más delicadas (2 y 5), se planea hacerlas en el período de aguas bajas, porque el resto del año resultarían más costosas o incluso imposibles. cierre del desvío. Gracias a tener desviado el río se pueden realizar las cimentaciones de la presa y avanzar en su ejecución. Pero en cuanto ésta llega a una cierta altura, el desvío puede no ser ya necesario. Y lo más tarde, cuando la presa está ya terminada, hay que cerrar el desvío. Esta operación tiene también cierta dificultad, por ello es forzoso prever la operación desde el principio y proyectar las obras de desvío de manera que el cierre sea más fácil. Para cerrar el desvío debe contarse previamente con unos desagües en la presa. Elemento fundamental para ello es el desagüe de fondo. Éste desagüe permite hacer pasar el agua por él mientras que se cierra el desvío. También facilita el cierre definitivo de la presa, pues basta operar la válvula o compuerta correspondiente. En la operación de cierre hay que distinguir tres casos: 1.- Hay túnel de desvío: - Con el desagüe de fondo en la presa. - Con el desagüe de fondo en el mismo desvío. 2.- El desvío se hace por recintos y el desagüe de fondo está en la presa. 3.- El desagüe de fondo es independiente de la presa y del desvío. Cuando hay túnel de desvío y desagüe de fondo en la presa, se puede cerrar de dos formas: a) Dejando previstas en algún sitio donde se puedan hormigonar bien, dos o más ranuras verticales en las que se puedan alojar unas compuertas deslizantes elementales. Teniendo previstas estas ranuras, resulta bajar esas compuertas (ataguías) en el momento deseado. Conviene que sean al menos dos en serie, pues la primera probablemente no cerrará del todo, pero cortará al menos el caudal Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 importante. La segunda compuerta es más fácil de bajar, a pesar de que la filtración de la primera sea notable. b) Colocando unos tubos horizontales y longitudinales se puede ir echando hormigón de forma que el agua siga pasando por ellos, pero taponando así gran parte de la sección. Después es más sencillo ir taponando los tubos uno a uno por medio de piezas troncocónicas que encajen en la entrada de cada tubo. Desde el mismo momento en que el desvío está cerrado, aunque sea imperfectamente, el agua se va acumulando detrás de la presa. Y cuando llega al nivel del desagüe de fondo, sale por él controlándose así su nivel hasta que se decida proceder al embalse normal (cerrando el desagüe de fondo). Cuando hay túnel de desvío y desagüe de fondo en el mismo desvío, puede hacerse de manera similar si colocamos ese desagüe en un túnel algo más alto que el desvío. Mientras el agua pasa por el túnel inferior, puede ejecutarse con toda comodidad la obra en el túnel superior. Hay veces en que el desagüe de fondo se hace en el mismo túnel de desvío. Esto lleva siempre a una mayor dificultad en su ejecución, por el hecho de que el agua ha de seguir pasando. Para resolver este problema puede dejarse en la presa un portillo o hueco provisional; el desvío se cierra por medio de unas ataguías y el agua remansa un poco y sale por el portillo de la presa. Se hace la obra e instalación de las compuertas de desagüe de fondo y, cuando está terminada, se vuelven a levantar las ataguías del desvío y el agua vuelve a pasar por él a través ahora, de las válvulas del desagüe de fondo y puede ya cerrarse el portillo provisional de la presa. Terminado éste, se pueden cerrar las válvulas del desagüe de fondo y comenzar el embalse. Cuando el desvío se hace por recintos, en algunos de los bloques de la presa hay que dejar hecho el desagüe de fondo. Por éste pasará el agua a partir de un cierto momento de la construcción. Cuando se decida pasar al embalse definitivo, se cierran las válvulas o compuertas de este desagüe. Puede haber una fase intermedia en la que subsistan simultáneamente el desagüe de fondo, ya instalado, y un portillo en la presa que luego hay que cerrar. Cuando el desagüe de fondo es independiente de la presa y del desvío, se puede ir construyendo e instalando con total desconexión con el resto de la obra. Y realizar el cierre final con él, como siempre, utilizándolo también como alivio del agua mientras se procede al cierre del desvío provisional, sea éste por túnel, recintos o portillo en la presa. Funcionalmente, es la mejor solución de todas. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 OBSERVACIÓN de presas. Es absolutamente preciso observar la presa cuando está en explotación y ello por un doble concepto: Para comprobar si se comporta desde el principio conforme a las hipótesis del proyecto - (comprobación inicial aprobatoria). Para que si en el curso del tiempo se presenta alguna anomalía, sea detectada a tiempo - para corregirla (control continuado preventivo). COMPROBACIÓN INICIAL. En el proyecto de una presa se hacen varias hipótesis que es preciso comprobar si se cumplen en la realidad. Fundamentalmente son las siguientes: Subpresión. La presa se calcula suponiendo que con los drenajes e inyecciones - previstas, la subpresión tendrá una cierta ley e intensidad. Es preciso confirmar que la subpresión real no es superior a la supuesta. Comportamiento estructural. Se suponen también unas condiciones del cimiento - (resistencia, deformabilidad, etc.) y unas hipótesis de trabajo de la estructura. Hay que ver si el conjunto de estas condiciones se cumplen en la realidad. Estas dos observaciones fundamentales se refieren a las hipótesis de proyecto. Pero, aparte de ellas, hay que realizar otras comprobaciones de buen comportamiento, como son las filtraciones de presa y embalse, para ver si entran dentro de lo normalmente tolerable. subpresión. La observación de las subpresiones se hace por medio de manómetros enchufados en los drenes. En distintos momentos y con distintas alturas del embalse se van midiendo las presiones en los drenes. Si la subpresión, en intensidad y distribución, es igual o menor que la supuesta, hemos comprobado la adecuación de la realidad al proyecto. Si la subpresión resulta mayor de la supuesta, o la distribución es más desfavorable que la de la hipótesis, habrá que revisar los cálculos para ver si es o no admisible esa ley de subpresión; y si no lo fuese, hemos de tomar las medidas para disminuirla, fundamentalmente reforzar la pantalla impermeabilizadora con nuevas inyecciones y quizá perforar nuevos drenes, profundizar más los anteriores... Todo esto requiere un cierto tiempo. Mientras tanto, como primera precaución, habría que bajar el nivel del agua en el embalse par disminuir el empuje y la subpresión hasta el límite en que quede garantizada la estabilidad. O, si aún no se hubiera alcanzado el nivel superior, se limitaría la subida Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 de agua hasta el nivel que dé la debida estabilidad. Por esto, la subida de nivel debe ser paulatina, al objeto de ir observando el comportamiento de la presa, evitando que la estructura pueda quedar sometida a condiciones más desfavorables que las supuestas. Pero puede ocurrir también que las subpresiones se mantengan dentro de límites razonables y se llegue a alcanzar el nivel máximo en el embalse y que por cualquier causa, suban las presiones intersticiales paulatina o súbitamente. En este caso, habrá que obrar en consecuencia. Para juzgar si las subpresiones son o no admisibles hay que hacer la integral de ellas en cada bloque entre juntas, pues cada bloque actúa como una unidad; por ello es admisible que sean excesivas en algunos puntos si en otros se compensa este exceso, resultando en conjunto una ley adecuada. OBSERVACIÓN de las FILTRACIONES. Estas tienen un interés intrínseco, puesto que la presa se hace para retener agua y toda pérdida de ella va contra ese objetivo fundamental. Pero también tienen un valor como índice, pues una filtración excesiva acusa un defecto que puede derivar en aumento de la presión intersticial, lavado de la fábrica o de las diaclasas de la roca etc. con repercusión creciente. Por eso es casi más interesante que la magnitud de la filtración su constancia o variación. Una filtración incluso notable, pero invariable puede no ser peligrosa. En cambio puede ser alarmante una pérdida pequeña en su comienzo que va aumentando con el tiempo, porque ello es señal del lavado del material. Sobre todo si el agua sale turbia, denota que hay disolución o arrastre, con lo que el camino de la filtración se va agrandando. Las filtraciones han de observarse tanto integral como individualmente. La medida conjunta de las filtraciones da un índice del comportamiento general pero no basta. Hay que observar también por zonas, para ver si algunas de ellas son causa de la mayor parte de las pérdidas. Las observaciones se hacen en las galerías de visita, viendo en cada una el caudal de las cunetas y observando si algunos drenes dan más agua que otros (como es lo normal). De esta forma podemos inyectar la zona más permeable, atacando el mal en el sitio más agudo. La observación conjunta se puede hacer recogiendo todas las filtraciones en un canalillo colector final provisto de un vertedero triangular para poder medir con la mayor exactitud posible el caudal. Al hablar de filtraciones y subpresiones no nos referimos sólo a la presa, sino a la roca, pues ya sabemos que ésta es tan importante o más que aquella. Las galerías y pozos de drenaje y observación deben penetrar en la roca. En cuanto al embalse, sus filtraciones tienen el mismo interés general, pero su observación ha de hacerse por medios más indirectos. Basta comprobar que no hay manantiales que puedan provenir de él. Si se notase la aparición de una fuente nueva o el aumento de caudal de alguna existente, hay que analizar si procede del embalse y cual es su origen y posible recorrido. Su mantenimiento o variación es tan significativo como en la presa o cerrada. Y llegado el caso, habría que aprovechar un descenso del embalse para taponar o impermeabilizar su origen o, incluso, bajarlo ex profeso. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 OBSERVACIONES estructurales desde el interior. La estructura presa-roca funciona como un conjunto, y como tal hay que tratarla. Las observaciones sobre su comportamiento se hacen preferentemente midiendo deformaciones o corrimientos. Estas mediciones pueden hacerse con instrumentos internos a la presa u observándola desde el exterior por métodos geodésicos. En cualquier caso se trata de medidas de alta precisión, dada la exigüidad de las deformaciones absolutas y relativas. De las medidas tomadas desde el interior, unas juzgan sobre el movimiento global de la presa y otras sobre su comportamiento elástico en puntos concretos. El aparato más universal y eficaz para juzgar sobre el comportamiento conjunto es el péndulo. En un pozo vertical que se deja en el interior de la presa, se instala un cable muy fino con un peso P en su parte inferior, colgándolo de un punto próximo a la coronación. Cuando la presa está recién construida, sin deformarse, el pozo es vertical y el cable es paralelo al eje del pozo en toda su altura. Cuando la presa se deforma, la coronación sufre un desplazamiento respecto al pie, y como el cable sigue manteniéndose vertical, su desplazamiento respecto a la posición inicial mide la flecha horizontal en cada punto. La medición de los desplazamientos se hace a diferentes alturas (fijas) sirviéndose de puntos de aguja muy finas que dan las dos coordenadas horizontales del cable. También se usan otros procedimientos de precisión ópticos y eléctricos. El péndulo mide sólo corrimientos relativos y no absolutos, no pudiéndose saber si la flecha es debida a la deformación de la presa o si ha sido el cimiento o ambos. La única forma de medir corrimientos absolutos es prolongando el pozo dentro del cimiento hasta una profundidad tal que pueda considerarse la roca no afectada por las deformaciones. Según la importancia y la longitud de la presa se ponen en ella uno o más péndulos, pues cada uno de ellos sólo mide el comportamiento de una ménsula, y puede ser interesante observar dos o tres. También se hacen otras observaciones tensionales desde el interior por medio de aparatos especiales, tensómetros, deformámetros, clinómetros... También se colocan termómetros en distintos puntos, porque las medidas de deformación y corrimiento no podrían ser bien interpretadas si no conociésemos el estado de temperatura en la presa. OBSERVACIONES estructurales desde el EXTERIOR. Estas tienen por objeto medir los corrimientos de diversos puntos de los paramentos de una presa, casi exclusivamente del de agua abajo, y que el de agua arriba está cubierto de agua durante largos períodos. El método usado es el geodésico. Se instalan varias estaciones de observación en las laderas, agua debajo de la presa y a suficiente distancia para que no puedan verse afectadas por los movimientos Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326 PRESAS 4º Ingeniería Civil. Curso 16-17 de aquella. Estas estaciones pueden considerarse, así, como puntos fijos e invariables. En cada estación hay un bloque de hormigón dispuesto para colocar el teodolito en un punto perfectamente definido en sus tres coordenadas. Las estaciones deben estar cubiertas y cerradas lateralmente para aislarlas del sol, la lluvia y el viento. Los puntos a observar se distribuyen en todo el paramento e incluso en las laderas; estos puntos se pintan materialmente en la presa por medio de un círculo para que sea bien visible a distancia. Su centro es el punto a observar. Las mediciones geodésicas se hacen sólo a intervalos de semanas o meses, pues la operación es lenta y los cálculos complicados. Las observaciones suelen hacerse de noche para mayor precisión; para lo cual la presa debe estar bien iluminada. La observación de la presa es importantísima, pues solo así podremos conocer si se comporta de acuerdo con lo previsto y calculado o si presenta alguna anomalía que aconseje tomar medidas. Los principios generales que deben regir la elección del sistema de observaciones deben ser: - Planear que es lo que se quiere medir y para qué. - Ver que aparatos nos hacen falta para ello y en qué número. Para fijar este número debemos tener en cuenta que: - Este debe ser el menor posible que nos permita un enjuiciamiento de lo que hace la estructura. - Debemos tener un grupo preferente de aparatos que nos den una visión rápida de cómo trabaja la presa y otro complementario que sirva como estadística a utilizar solo en algún caso extraordinario. Prof. José Carlos Sandoval Soriano ICCP. Col. nº 12326
