Tipos de presas Presa zonificada Presa de enrocados o grava con pantalla impermeable Presa gravitacional de hormigón Presa en arco Presa Zonificada Zonificadas Tubificación (piping) Núcleo impermeable x filtros 1 H Pipe = Tubo El núcleo es de suelos finos arcillosos. El gradiente hidráulico es fuerte Aguas arriba está toda la presión del embalse Aguas abajo casi no hay presión 1 x espaldón espaldón 0.4*H Filtro: retiene las partículas finas, de otra forma se produciría tubificación Zonificadas Tubificación (piping) El agua que filtra arrastra las partículas finas las que pueden pasar a través de la granulometría abierta del espaldón aguas abajo Sale la primera partícula fina y deja un hueco Sale la que sigue aguas arriba Zonificadas Tubificación (piping) El gradiente va aumentando Se forma un tubo Finalmente conexión directa, erosión y falla total Después de los rebalses, esta es la causa más frecuente de fallas catastrófica de presas 1
Zonificadas Tubificación (piping) Se debe intercalar un filtro consistente en un material granular pero con granulometría que deja pasar el agua pero retiene las partículas Los filtros son materiales granulares con abundantes finos Granulometría precisa cumpliendo leyes de filtro para el material aguas arriba (material del núcleo) Tubificación (piping) Los filtros son materiales caros. A menudo requieren proceso en planta de agregados Su colocación muy cuidadosa para evitar segregación A su vez los materiales del espaldón deben ser filtro de los del filtro Es frecuente que se requieran filtros dobles Una capa que cumple leyes de los filtros respecto al núcleo Otra capa que filtra a la anterior y que es filtrada por el espaldón Zonificadas Tubificación (piping) Para la colocación de los filtros se deben usar elementos especiales. La colocación y selección de los materiales es cara el espesor del o los filtros es el necesario para poder colocarlo con equipos de movimiento de tierra Secuencia de construcción Los impermeables no se pueden colocar en el invierno En el verano se adelanta el núcleo a los espaldones. Se colocan los impermeables, los filtros y algo de espaldones para contenerlos. En el invierno se trabaja sólo en los espaldones Los espaldones son granulares (fluviales o enrocados de una cantera). Se pueden compactar con lluvia y con cualquier humedad Presa Zonificada Este tipo de presa se puede construir sobre cualquier tipo de fundación y con casi cualquier material en los espaldones Se requiere yacimiento (empréstito) con materiales impermeables PRESA ZONIFICADA Berma Estabilizadora La pendiente de los espaldones (x) depende de la calidad del material del espaldón. Con buenos materiales x es ~ 2.2 Si el suelo para el espaldón es de mala calidad, taludes más tendidos x puede llegar a 4 Si la fundación es de muy baja resistencia se colocan bermas estabilizadoras 2
Cortina impermeable Núcleo Impermeable Si está fundada sobre suelos permeables se requiere una cortina impermeable Se hace una pared moldeada En este tipo de presas, la construcción de la pared está en el camino crítico del programa h Fluvial d Pared impermeable de hormigón simple Espesor: 1 mt. Altura (d): entre 30 y 100 mts. Roca o estrato impermeable PRESA ZONIFICADA El núcleo formado por materiales impermeables cohesivos con baja resistencia t = resistencia al corte t= c + p*tang fi Fi es bajo (la resistencia casi no aumenta con la profundidad) PRESA ZONIFICADA El espaldón aguas abajo recibe todo el empuje como carga horizontal Esto dimensiona el talud aguas abajo El talud aguas arriba sin recibir presión (por ser permeable toda la presión va al núcleo) debe resistir su peso propio. Cuña de deslizamiento Su peor situación vaciado rápido, queda con el peso saturado y sin la presión del agua. CFRD = concrete face rockfill dam Un solo espaldón y un pavimento impermeable aguas arriba El cuerpo de la presa material granular permeable El empuje del agua tiene una componente vertical que, en este caso ayuda a la resistencia 3
Presa de Enrocados con Pantalla Impermeable Detalle PLINTO Pantalla de hormigón Pantalla Perforación Cortina Inspección Gravas o rocas (drenante) ~ 1.4 1 Water Stop Anclajes Roca Plinto Roca Los materiales granulares tienen tg fi elevado. Del orden de 1 (Fi del orden de 45º) Esto permite taludes empinados. El más empinado que se pueda construir. Cuando enrocados 1,3/1 horiz/vert Cuando gravas 1,4/1 horiz/vert Son materiales permeables, presión de poros cero incluso durante un sismo La pantalla de hormigón está flotando sobre el enrocado Para unirla en la roca se construye el plinto. Es una losa de concreto sobre la roca. El plinto tiene por objetivo: Alojar el water stop = lamina de estanqueidad Servir de respaldo a las inyecciones de la roca La pantalla de hormigón es impermeable, la roca no La roca se inyecta para impermeabilizarla hasta una profundidad del orden de un tercio de la columna de agua en cada punto 4
Si está fundada sobre suelos permeables se requiere una cortina impermeable Se hace una pared moldeada En este tipo de presas, la construcción de la pared está en el camino crítico del programa Si está fundada sobre suelos permeables se requiere una cortina impermeable Se hace una pared moldeada En este tipo de presas, la construcción de la pared está en el camino crítico del programa Si está fundada sobre suelos permeables se requiere una cortina impermeable Se hace una pared moldeada En este tipo de presas, la construcción de la pared está en el camino crítico del programa Presa de Enrocados con Pantalla Impermeable CFRD CFRD (concrete face rock fill dam) Este tipo de presa se podía construir sólo sobre roca El cuerpo de la presa y la fundación debe ser de suelos libremente drenantes: roca o fluviales Toda la pantalla debía llegar hasta el plinto en la roca Se dejaba bajo la presa los materiales existentes que fueran permeables La roca no es permeable pero tiene alta resistencia Toda la pantalla debía llegar hasta el plinto en la roca Se dejaba bajo la presa, aguas abajo los materiales existentes que fueran permeables Si está fundada sobre suelos permeables se requiere una cortina impermeable Se hace una pared moldeada En este tipo de presas, la construcción de la pared está en el camino crítico del programa 5
Si está fundada sobre suelos permeables se requiere una cortina impermeable Se hace una pared moldeada En este tipo de presas, la construcción de la pared está en el camino crítico del programa Si está fundada sobre suelos permeables se requiere una cortina impermeable Se hace una pared moldeada En este tipo de presas, la construcción de la pared está en el camino crítico del programa Presa (CRFD) sobre Fluvial de Río Pantalla de hormigón Gravas o rocas (drenante) ~ 1.5 1 Fluvial de Río o material poco compresible Como excepción, en Chile en los 90, se inició el empleo de combinaciones pantalla de hormigón con pared moldeada vertical en el valle Esto considerando que los ríos chilenos corren sobre rellenos de fluviales permeables con espesores importantes La pantalla impermeabiliza el cuerpo de la presa. La pared moldeada, vertical, impermeabiliza los fluviales bajo la presa Plinto Suelo de Roca Presa (CRFD) con Fluvial de Río profundo. Solución, construcción de pared moldeada hasta la roca. Plinto Pantalla de hormigón Pared Moldeada Gravas o rocas (drenante) Fluvial de Río ~ 1.5 1 En el mundo se extendió en forma importante el empleo de las CFRD en valles similares a los chilenos En Chile Santa Juana (primera en el mundo) Puclaro, el Bato Si se tuviera que construir de nuevo las grandes presas chilenas (Colbún, Paloma, Melado,..) serían CFRD Suelo de Roca 6
10/29/08 Presa (CRFD) con Fluvial de Río muy profundo. La pared moldeada no necesita llegar a la roca Basta una profundidad tal que las filtraciones: No sean importantes económicamente El flujo no produzca erosión, o sea, que la gradiente hidráulica no sea la que hace flotar las partículas Lo más importante es que todos los suelos deben ser permeables. En ningún punto del cuerpo de la presa puede haber presiones Toda la presión del embalse la contiene la pantalla que la transmite directo al enrocado (la pantalla está aplastada sobre el enrocado) Se comporta como un pavimento Solución, construcción de pared moldeada profunda para disminuir el gradiente hidráulico. Pantalla de hormigón ~ 1.5 1 Pared Moldeada Gravas o rocas (drenante) Gradiente Hidráulico reducido, se producen pocas filtraciones Plinto Fluvial de Río Presa de Enrocados con Pantalla Impermeable CFRD Son intrínsicamente estables pues la carga del agua del embalse comprime el cuerpo de la presa y, Al estar seco el material, no hay presiones de poro que rebajen el roce entre partículas Recordar que el roce entre partículas de un suelo es proporcional a la presión entre ellas La presión es igual al peso de material sobre ella (presión geostática) más la sobrecarga (presión del embalse en este caso) menos la presión de poros En una CFRD la presión de poros es cero Presa de Enrocados con Pantalla Impermeable CFRD Los enrocados tienen coeficiente de roce (tg fi) elevado, comprendido entre 0,8 y 1 Los fluviales son aún mejores, tg fi mayor que 1 En estas presas todo el cuerpo de la presa contribuye a la resistencia contra la componente horizontal del empuje del agua Repetimos, la componente vertical del empuje ayuda a la resistencia Resultan taludes aguas arriba y aguas abajo empinados 7
10/29/08 Presa de Enrocados con Pantalla Impermeable CFRD Desde el punto de vista de los costos y plazos de construcción es importante: Capas de relleno, muy gruesas hasta unos 2 metros de espesor Libertad para construir en cualquier secuencia. Por ejemplo si el valle es ancho, se pueden iniciar rellenos antes del desvío. Se puede construir la pantalla en etapas Hormigón (CFRD) Presa de Enrocados con Pantalla Impermeable CFRD Hormigón (CFRD) Los diseños son empíricos, guiados por ingenieros consultores que participan en proyectos en todo el mundo La sección de la presa, los tratamientos de las fundaciones, los espesores de la pantalla, los detalles de las juntas, etc se determinan de acuerdo a lo que ha resultado exitoso 8
Hormigón (CFRD) Las presas de este tipo se ha demostrado que son las más seguras Fallas de la pantalla, que es el elemento impermeable, provocan pérdida de agua que filtra. Sin embargo no se compromete la seguridad de la presa Ha habido presas que debido a crecidas se han llenado antes de construir la pantalla. Filtraciones de 60 m3/seg sin erosionar El diseño de los rellenos se hace de modo que la permeabilidad y el tamaño de los bloques aumente en forma gradual Junto a la pantalla materiales filtro de suelos granulares no cohesivos finos (materiales 2A) A continuación otra capa filtro de la anterior (material 2B) Después el espaldón grueso de mejor calidad con capas de 80 cm. de espesor (3A), espesor 1/3 del espesor de la presa Después material 3B con capas de 2 metros de espesor De este modo si hay rotura de la pantalla o falla de sus juntas filtraciones moderadas Se tratan dejando caer material fino sin cohesión que colmata a los materiales aguas arriba Se construye la pantalla en fajas de unos 15 a 18 metros de ancho sin juntas en toda la altura de la presa Se elige el ancho por razones constructivas En las juntas entre fajas se colocan water stop de cobre o de plástico Son láminas que se empotran en ambos elementos permitiendo que se separen conservando la estanqueidad Presa CFRD Ejemplo junta entre losas 9
CFRD Generalidades La más alta del mundo está en Méjico con 210 metros de altura, recién terminada Se está iniciando una presa de 250 metros, también en Méjico Se ha ido creciendo desde 100 metros en los años70, 160 metros en los años 80 Hormigón (CFRD) En 2006, durante el primer llenado ocurrieron roturas en las pantallas de hormigón de tres presas de enrocado: dos presas en Brasil de unos 200 metros de altura Una en Sud Africa de 146 metros de alto Se descubrió que en China hubo un caso similar tres años antes 10
10/29/08 e h Se reparó y selló la grieta sobre nivel del Embalse. Se detectó con buzos y un robot que la grieta seguía bajo el agua No se detectaron las fallas horizontales Bajo agua se hizo el tratamiento normal consistente en descarga suelos finos no cohesivos Disminuyeron las filtraciones 11
CFRD Falla Presa Campos Novo (Brasil) Accidente de Compuerta Desvío El embalse se vació y puso a la vista todas las fallas 12
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Presa Gravitacional de Hormigón En los proyectos hidroeléctricos, los embalses se mantienen llenos Fluctúa sólo la parte superior Quedan dudas si en otros proyectos se agrietó la losa pero no se supo Demuestra la seguridad intrínseca de este tipo de presa 0.8 vertedero 1 Presa Gravitacional de Hormigón Presa Gravitacional de Hormigón Se puede construir sólo sobre roca. Como excepción en suelos poco compresibles y permeables (gravas del valle central) para presas hasta 25 metros de altura. El vertedero se construye sobre la presa. El costo de las obras de desvío de caudales es relativamente bajo. Las obras de toma y descarga son sencillas. Las hemos visto al tratar HCR Presa Gravitacional de Hormigón HCR 14
Presa Gravitacional de Hormigón HCR Cálculo seudo estático: El empuje del agua horizontal a 1/3 de la altura en cada bloque en que está dividida la presa Momento respecto al punto de volcamiento=momento volcante =MV Momento de los pesos del hormigón =Momento Resistente MR mayor que MV*coef seg. Se aumenta la presión por sismo Presa Gravitacional de Hormigón HCR Durante los primeros años se considera la tracción debido al enfriamiento: el cuerpo de la presa sube temperatura cuando aún está el hormigón plástico Se enfría, por su espesor lentamente en varios años. Genera tracciones En ese periodo se superpone con un sismo de menor magnitud Casi siempre esta última combinación es la peor Presa en Arco Todas las presas se verifican por medio de modelos de elementos finitos o diferencias finitas Cada día programas más amistosos y completos Entregan tensiones y deformaciones en las diferentes etapas de la construcción y operación R puente En un arco con cargas uniformes, sólo se produce compresión en Arco En cada punto la compresión es P*R Como el valle se va ensanchando, el radio va aumentando Resulta un arco de doble curvatura Cuando las condiciones son ideales, resultan espesores muy bajos. 1/10 de la altura o menos Presa en Arco A A Espesores proporcionales al radio de curvatura Corte A-A 15
Presa en Arco Este tipo de presa se puede construir sólo en valles muy estrechos (B/H < 2,5) y con calidad roca muy buena. Si estas condiciones se cumplen, es la solución más económica. B H Presa en Arco Es frecuente en presas en arco que durante la construcción se descubran condiciones más difíciles que las consideradas en el diseño Aumentos de costo y de plazos catastróficos Se requieren prospecciones muy intensas. Gran cantidad de sondajes y galerías de inspección En Chile sólo Rapel es una presa en arco y fue un desastre en costos y plazos PRESAS Comparaciones Tipo de presa Base Volumen por metro de presa (B*H/2) US$/m³ Total por metro de presa Plazo de construcción Zonificada 4.5*H 2.25*H² 5 11.2 2.5 Enrocado con pantalla Gravitacional (HCR) 3*H 1.5*H² 4 6 2 0.8*H 0.4*H² 40 16 1 PRESAS Comparaciones En el cuadro se consideró presas CFRD y los espaldones de la zonificada de gravas Si son de roca proveniente de una cantera, ambas aumentan el costo al doble De todas maneras las presas gravitacionales de hormigón HCR son las más caras PRESAS Comparaciones El vertedero en la HCR está en el cuerpo de la presa. Casi sin costo Las obras de Desvío se dimensionan para crecidas con periodo de recurrencia menor ya que una vez que arranca la presa sobre cierta cota, los daños de un rebalse no son importantes Similarmente el vertedero se calcula con periodo de recurrencia menor 16
PRESAS Comparaciones La desviación se calcula para crecidas fuera del invierno Los Túneles de Desvío son mucho mas cortos Las obras de descarga en la HCR también en el cuerpo de la presa bajo costo Si es una central hidroeléctrica, con una HCR, también las obras de aducción son más cortas y más sencillas Para comparar se deben hacer anteproyectos de soluciones con presas CFRD y HCR incluyendo el total de las obras PRESAS Comparaciones La HCR gana sólo en los casos en que la topografía hace que los vertederos sean muy caros y las crecidas son demasiado grandes A su favor está la gran velocidad de construcción 17