Agua en el_suelo (RDAL cohorte 3)

OBRAS HIDRAULICAS

7 º S E M E S T R E

C O D I G O : C I V 3 1 2 1 4

H O R A S : 3 T + 3 P

U C : 4

Unidad 3 y 4

Almacenamiento y

presas

EL AGUA EN EL SUELO

Condición de

PermeabilidadTipo de Suelo k (cm/s)

Muy Permeable.Gravas y arenas

limpias.1

Permeable.

Arena Gruesa. 1

Arena Media. 10-1

Arena Fina. 10-2

Poco Permeable.

Arenas muy Finas. 10-3

Limos 10-4 a 10-6

Limos Arcilloso 10-6

Impermeable.Arcillas y Arcillas

Limosas< 10-6

LEY DE DARCY

AikQ **

i = Gradiente hidráulico = h/L (adimensional)

h = Pérdida de carga.

L = Longitud de recorrido del flujo.

A = Área de la sección transversal de la muestra, por la que circula el agua.

k = Coeficiente de permeabilidad: constante de proporcionalidad y tiene unidadesde velocidad.

GRADIENTE HIDRÁULICO

Es la pérdida o disipación de altura hidráulica por unidad de longitud,

medida en la dirección en que ocurre el flujo.

i = h .

L

Donde:

i = Gradiente hidráulico = h/L(adimensional)

h = Pérdida de carga.

L = Longitud de recorrido del flujo.

GRADIENTE HIDRÁULICO

La ley de Darcy expresa la pérdida de

carga h que se requiere para mover el

agua a través del suelo una distancia L

con un gasto q:

h = q * L

k * A

Siempre y cuando el flujo sea laminar, que es el

caso corriente de los suelos, a excepción de las

gravas gruesas.

Un suelo esta bajo una condición hidrodinámica se presenta

cuando el agua gravitacional en estado de reposo, es sometida a

un gradiente hidráulico, lo cual origina una variación en la

presión del líquido que se transforma en energía cinética y le

transfiere movimiento a través del suelo.

Flujo del agua en el suelo

Flujo del agua en el suelo

FLUJO EN PRESAS

FLUJO A TRAVES DEL TERRAPLEN

FLUJO A TRAVES DE LA FUNDACION

Presa homogenea

Zona saturada

FLUJO A TRAVES DE LA PRESA

Presa Homogénea con dren de “pie”

Zona saturada

El control de

infiltración se

efectúa mediante la

incorporación de

sistemas de

drenaje,

protegidos por

filtros y capas

apropiadas de

transición.

FLUJO A TRAVES DE LA PRESA

FLUJO A TRAVES DE LA FUNDACION PERMEABLE

Permite estimar:

El gasto Pérdidas que sufrirá el embalse por

concepto de las filtraciones

La distribución Presiones de poros y subpresiones

de las presiones generadas, tanto en el terraplén como

en las fundaciones.

ANALISIS DE FILTRACIONES

Líneas equipotenciales: Es una línea a lo largo de la cual la

carga de potencial es igual en todos sus puntos.

Líneas de flujo: Es una línea a lo largo de la cual una

partícula de agua viaja del lado de aguas arriba al lado de

aguas abajo en medio de un suelo permeable.

LINEA SUPERFICIAL DE FLUJO

PRESA DE TIERRA

En las presas de tierra la líneas de flujo es una superficie de agua libre o superficie

de saturación, que no está determinada por ninguna masa sólida impermeable.

a

b

c

Equipotencial

Línea de Flujo

Superficie saturada

(parábola de Kozeny)


PRESA DE TIERRA

ENTRADA DEL FLUJO


PRESA DE TIERRASALIDA

Caso 1 : 2 < 30°

Calculo de la superficie humedecida a (distancia

4 - 3) 2

2

2

2

2

2

2 coscos sen

hdda


PRESA DE TIERRA

d = L - M + O,3M

M = h/tg l

d =L - O,7M

Luego de dibujar la presa de tierra a escala, se señala en ella la superficie humedecida aguas

abajo "a", calculada por la fórmula anterior. El siguiente paso consiste en el trazado de la

línea de saturación usando el método gráfico aproximado de la parábola básica de Kozeny,

cuyo procedimiento se describe a continuación:

1. Ubicar el punto 2' en la línea freática a una distancia de 0,3M medida desde la cara del

talud aguas arriba. La cara aguas abajo del talud es tangente a la parábola en el punto 4.

2. Prolongar la línea en el talud aguas arriba de la presa. Trazar una horizontal por el punto

2 hasta cortar la cara del talud aguas abajo. El punto de intersección es 5.

3. Dividir 4 -5 Y 5 - 2' en el mismo número de partes iguales, no más de 4 o 5, y marcar

estos puntos (en 5 - 2' se parte de 5 numerando con letras A -B , etc., en 4 - 5 se parte de

4 numerando A-B-C, etc.).

4. Trazar por 4 - 5 líneas horizontales en los puntos marcados.

5. Unir cada uno de los puntos marcados en la horizontal 2'- 5 con el punto 4.

6. Trazar la línea freática por los puntos obtenidos.

7. Como la línea freática parte perpendicular a la cara del talud aguas arriba, este ajuste

debe realizarse manualmente.

5

∆h

∆h

∆h

2’ ∆x∆x ∆x

4

Método para determinar la Línea de Saturación

Caso 2 : 2 > 30°

En este caso el procedimiento a seguir es:

ddhP 22

1. La parábola tiene su origen a una distancia P del vértice del talud aguas abajo de la

presa, es decir este vértice es su foco y es tangente a la vertical que pasa por el

punto P.

P se calcula por medio de la siguiente expresión:

2. Trazar la parábola básica de Kozeny. En este caso la tangente al origen es una línea

vertical.

3. La distancia desde el punto 4 hasta la intersección de la parábola con el talud aguas

abajo es a + a, y no es realmente el punto por donde sale el agua en el talud, por

lo tanto se debe realizar una corrección y encontrar a. Casagrande encontró que la

relación es un escalar que puede ser llamado a', y que se relaciona

con el ángulo 2 según se muestra en la siguiente tabla:

a

a

a

2 ( ) a

30 0.375

60 0.320

90 0.260

120 0.185

150 0.105

180 0


Los valores entre estos ángulos pueden interpolarse,

y midiendo a + a, se calcula a' usando las

formulas:

a = a´ ( a + a ) y a = ( a + a ) - a

Finalmente se trazan manualmente la entrada

y la salida de la línea de saturación.


a. Hacer un dibujo a escala que muestre la masa de suelo, los límites

permeables a través de los cuales entra y sale el agua del suelo y las

fronteras impermeables que confinan o limitan el flujo.

REGLAS PRÁCTICAS PARA ELABORAR REDES DE


b. Dibujar de dos a cuatro líneas de flujo que formen ángulos rectos con los

límites permeables a la entrada y a la salida y que sean aproximadamente

paralelas a los límites impermeables.



c. Dibujar líneas equipotenciales que formen ángulos rectos con las líneas de flujo, de

manera que el ancho y el largo promedio del cuadrado curvilíneo que forman sean

iguales (a=b). Desde luego, esto es imposible de lograr en el primer tanteo, porque las

posiciones de las líneas de flujo son supuestas, pero esta primera red servirá de guía para

un segundo tanteo.



d. Se reajustan las líneas de flujo y las líneas equipotenciales hasta que todas las

intersecciones sean en ángulo recto y el largo y ancho de cada cuadrado sean iguales.

Los tamaños de los cuadrados pueden ser distintos pero la relación a/b = 1 debe

mantenerse.



Caudal de Filtraciones:

Donde K = coeficiente de permeabilidad

h = pérdida total de altura piezométrica

Nf = número de tubos de flujo resultantes

Np = número de espacios de igual caída de carga hidráulica

resultantes

q = gasto de las filtraciones por unidad de ancho

La presa del dibujo se asienta sobre materiales cuya

permeabilidad es 0,3 m/día. Bajo dichos materiales se

encuentra un sustrato impermeable. Se pide:

a) Dibujar la red de flujo bajo la presa.

b) Calcular el flujo por metro de presa (un metro

perpendicular al dibujo).

c) La pérdida de altura de agua en un punto a

cuatro caídas equipotenciales bajo la presa.

Dibujo de la red

Np= 15

Nf=4

Calculo de caída en cada equipotencial

Np= 15

Nf=4

p

Calculo del caudal por unidad de ancho

Np= 15

Nf=4

CALCULAR EL DIAGRAMA DE SUBPRESIONES

Agua en cuerpo

de la presa de

tierra Licuefacción – ebullición

del suelo (movimiento

ascendente) –lecho de

dundacion

Tubificacion

La superficie freática del régimen de infiltración, es decir, la superficie libre, debe

mantenerse alejada del paramento aguas abajo para evitar altas presiones del

agua en los poros que puedan promover la inestabilidad del talud.

Cuando la línea de infiltración emerge en el paramento, ocurrirá ablandamiento

local y erosión, lo cual iniciará desprendimientos.

gradiente hidráulico crítico (ic): gradiente al cual se produce la

“ebullición” del suelo.

ic = .

w

Donde:

´= saturado - w : es el peso unitario del suelo sumergido.

w : peso unitario del agua

Expresando el gradiente crítico en función de la gravedad

específica de los sólidos (Gs) y la relación de vacíos (e) se

desarrolla una expresión para el ic.

ic = Gs - 1.

1+e

Las relaciones de vacíos de la gran mayoría de las arenas están

comprendidas entre 0,3 y 1,2. Por otro lado, la gravedad específica de

estos suelos oscila entre 2,65 y 2,70. Si se aplica la fórmula en esos

intervalos se tiene que:

Para e = 0,3 Gs = 2,65 ic = 1,27

Gs = 2,70 ic = 1,31

Para e = 1,2 Gs = 2,65 ic = 0,75

Gs = 2,70 ic = 0,77

PI = IP = índice de plasticidad

Gradientes hidráulicos críticos

para la ocurrencia de tubificación

PRESAS HOMOGENEAS

Construidas con un solo tipo de material (impermeable o

semipermeable).

Este diseño se adapta mejor a presas bajas y medianas.

Deben llevar incorporado en el sector aguas abajo de su

sección un dren de material más permeable que el empleado

en el terraplén el cual permite:

Reducir la presión de poros generada en el sector aguas

abajo, con lo cual se aumenta el factor de seguridad al

deslizamiento.

Controlar las filtraciones aguas abajo.

CRITERIOS DE

PREDIMENSIONAMIENTO

Diseño de Pequeñas presas, USBR

2 Los suelos OL y OH no se recomiendan para las porciones mayores de las

presas de tierra homogéneas. Los suelos Pt son inadecuados

PRESAS ZONIFICADAS

Construidas con diferentes materiales sueltos.

Núcleo de material impermeable y espaldones con material

más permeable.

Se recomienda reducir en lo posible el ancho del núcleo.

Materiales más recomendables para el núcleo: arcillas, limos

medianamente plásticos, gravas y arenas limosas o arcillosas.

CRITERIOS DE

PREDIMENSIONAMIENTO

TAMAÑO DEL NÚCLEO

CRITERIOS DE

PREDIMENSIONAMIENTO

Estimación preliminar

de taludes

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