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