Criterios Para Diseñar Presas de Tierra

7/23/2019 Criterios Para Diseñar Presas de Tierra

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CRITERIOS PARA DISEÑAR PRESAS DE TIERRA:PRIORIDAD Y SECUENCIA

Autor: MSc. Ing. Rolando Armas Novoa

Profesor AuxiliarDpto. Ingeniería Civil. ISPJAE.Habana 19390. Cuba.

Resumen

El diseño y construcción de una presa de materiales locales se realiza con el objetivo degarantizar que no se produzcan fallas graves o catastróficas a lo largo de su vida útil. Las

principales características de las fallas graves o catastróficas, entre las que se encuentran enorden de mayor a menor ocurrencia: el rebase de la cortina, sifonamiento mecánico,agrietamiento transversal, deslizamiento del talud aguas abajo, sismos, licuación y pérdidas porfiltración, así como las medidas y medios para evitarlas, son detalladas, incluyendo ejemplos defallas de presas de tierra ocurridas en Cuba. Por último, y basado en la experiencia cubana enel diseño y construcción de presas de tierra en los casi 40 años de fundado el Instituto Nacionalde Recursos Hidráulico, se da el ordenamiento que debe seguir el proyecto y las medidas atener en cuenta en cada caso para evitar las fallas mencionadas, priorizando en todo momentodel proyecto las medidas de selección de los materiales a utilizar y cómo compactarlos paragarantizar que no se produzca el agrietamiento.

Summary

The design and construction of earth and earth-rock dams is carried out so that no serious orcatastrophic failures take place during its operation time. Details are given on the maincharacteristics of serious or catastrophic failures, among which are, in order of frequency,overtopping, piping, transversal cracking, downstream slope slide, earthquakes, liquefaction andlosses due to seepage. This paper also includes, in detail, measures and means to avoid thesefailures as well as examples of failures of earth dams that have taken place in Cuba. Finally,based on the Cuban experience in the design and construction of earth dams since the NationalInstitute of Hydraulic Resources was founded almost forty years ago, this paper provides theorder the design must follow as well as the measures to be taken in every step in order to avoidthe failures mentioned above. Top priority is given to the measures to follow for the selection ofmaterials and the way they should be compacted so that no cracking may occur.



CRITERIOS PARA DISEÑAR PRESAS DE TIERRA: PRIORIDAD Y SECUENCIA

Autor: MSc. Ing. Rolando Armas NovoaProfesor AuxiliarDpto. Ingeniería Civil, ISPJAE.

Habana 19390. Cuba.

1. Introducción.

Los suelos son el más antiguo de los materiales deconstrucción y el más complejo de cuantos seconocen. Su variedad es enorme y sus propiedades,variables en el tiempo y el espacio, son difíciles deentender y medir. El siglo XX constituyó el de mayoresfuerzos de los científicos para resolver losproblemas que enfrentaba la Mecánica de Suelos ycon ello el diseño y construcción de presas de tierra.La importancia de este tipo de obra para la vida delhombre y su desarrollo social es ampliamenteconocido. En Cuba no estamos al margen de esto ypor ello, a partir del triunfo de la Revolución, se hanproyectado y construido un gran número de grandes,medianas y pequeñas presas de materiales locales(tierra y enrocamiento).

El desarrollo de la Mecánica de Suelos ha dado alingeniero de presas de materiales locales, armasracionales para su estudio. El fallo de este tipo deestructuras constituye una de las principalespreocupaciones del inversionista, del proyectista, delconstructor y de todas las personas que viven aguasabajo de la obra. Esto se debe a que la rotura de la

misma no solo constituye un fracaso económico degran magnitud, sino una amenaza a la seguridadpública.

La magnitud de las fallas en presas de materialeslocales varía, desde lo que pudiera llamarse unacatástrofe, que produce grandes pérdidas en vidas ybienes, hasta deterioros más o menos ligeros, queinclusive pudieran no requerir ningún trabajo dereconstrucción. Las fallas catastróficas han ocurridopor ruptura de la cortina bajo el empuje de agua o porrebase del agua sobre la cortina en avenidasextraordinarias; en el primer caso se produce

naturalmente una ola cuyos efectos aguas abajo sonfáciles de adivinar; en el segundo caso sueleproducirse la destrucción total o casi total de laestructura, pues aunque a veces se han reportadorebases de consecuencias no catastróficas, ha deconsiderarse, como una regla general, que unacortina de materiales locales no puede diseñarse enforma segura como sección vertedora.

Las fallas graves o catastróficas en presas demateriales locales según el orden de ocurrencia son :

1. Rebase de la cortina.

2. Sifonamiento mecánico.

3. Agrietamiento transversal.4. Deslizamiento del talud aguas abajo.5. Sismos.6. Licuación.7. Pérdidas por filtración.

Es por ello que el diseño y construcción de una presade materiales locales se realiza con el objetivo degarantizar que no se produzcan fallas graves ocatastróficas a lo largo de su vida útil. La prioridad yordenamiento a tener en cuenta en el diseño va adepender de muchos factores, pero entre los máscomunes y determinantes está la selección del tipo desuelo a utilizar en la construcción de la cortina y laforma de colocar éstos en cuanto a humedad, pesoespecífico seco, energía y tipo de compactación aemplear en la construcción, por lo que se hace tanimportante el conocimiento profundo y la aplicaciónpráctica de la Teoría de Compactación de los Suelos.

2. Principales caracterícas de las fallas graves ocatastróficas.

2.1. Fallas por rebase de la cortina.

En presas de tierra es siempre catastrófico que el

agua rebase la cortina y escurra por el talud aguasabajo, debido precisamente a la naturalezaerosionable de los materiales que intervienen en sucomposición. Por esta razón, la presa debe estarprovista de una estructura auxiliar denominadavertedor (aliviadero), que permita el alivio del vasocuando este se llena a su máxima capacidad. Dada lanaturaleza de sus funciones, el vertedor deexcedencias debe estar construido con materiales noerosionables, como hormigón o, en obras más chicas,mampostería. Es por ello que el rebase de la cortinadebido a insuficiencia del vertedor ocurregeneralmente por una mala estimación del gasto

correspondiente a la avenida máxima que debadesalojar éste. La consecuencia es que al presentarseuna avenida mayor que la prevista, el vertedor no ladesahoga y el agua se vierte sobre la cortina,erosionándola y dañando el talud aguas abajo, con lasconsecuencias ya indicadas anteriormente. Segúnestudios de Middlebrooks, 1953, la falla por rebase dela cortina debido a insuficiencia del vertedor,constituye la más frecuente causa de falla catastróficaconocida.

El desarrollo de la Hidrología como ciencia y laexistencia de estudios sistemáticos de cuencas y

escurrimientos que abarcan lapsos prolongados hanreducido la existencia de este tipo de falla en el



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mundo en los ultimos 50 años. Cuba es un ejemplo deello, donde no hemos tenido que lamentar esteproblema por insuficiencia del vertedor, en ninguna delas más de 200 grandes presas de tierra construidas.Naturalmente que este no es un problema de

Mecánica de Suelos, por lo que no se enmarca dentrode los objetivos de este trabajo.

Otra causa que puede provocar el fallo por rebase dela cortina, si no se atiende a tiempo, es elasentamiento excesivo del cimiento y el terraplén. Unejemplo típico de esta causa de falla es la presa detierra Abreus, en el municipio del mismo nombre, en laprovincia de Cienfuegos, Cuba, donde deformacionesde un estrato de arcilla compresible en el cimiento hanalcanzado valores de asentamiento en la corona delorden de más de 1,40 m. El recrecimiento de lacortina en esa zona y la reducción del nivel delembalse, han evitado las fallas por rebase de lacortina, en los más de 10 años de construida.

2.2. Falla por sifonamiento mecánico.

Cuando el agua fluye a través del suelo, su cargahidráulica se disipa venciendo las fuerzas viscosasinducidas y que se oponen al flujo en los canalículosformados entre las partículas; recíprocamente, elagua que fluye genera fuerzas erosivas que tienden aempujar las partículas, arrastrándolas en la direccióndel flujo. En el momento en que este arrastre seproduce, ha comenzado el sifonamiento mecánico delsuelo.

Inevitablemente existen en la masa del suelo lugaresen que se concentra el flujo de agua y en los que lavelocidad de filtración es mayor (gradiente hidráulicoalto); los lugares en que estas concentracionesemergen al talud aguas abajo, donde el suelo no estáconfinado, son particularmente críticos en lo referentea posibilidades de arrastre de partículas sólidas; unavez que las partículas empiezan a ser removidas vanquedando en el suelo pequeños canales por los queel agua circula a mayor velocidad, con lo que elarratre se acentúa, de manera que que el fenómenodel sifonamiento mecánico tiende a crecer

continuamente una vez que comienza, aumentandosiempre el diametro de los canales formados. El límitefinal del fenómeno es el colapso del bordo, al quedaréste surcado por conductos huecos de gran diámetroque afectan la estabilidad de la sección resistentehasta la falla.

Un factor que contribuye mucho al sifonamientomecánico es la insuficiencia en la compactación delterraplén, que deja alguna capa del mismo suelta yfloja; esto es particularmente probable cerca de muroso superficies de hormigón, tales como ductos o tubos.Un ejemplo típico de esto fue la falla original porsifonamiento mecánico de la presa Santa Rita,

provincia de Santiago de Cuba, Cuba, construidaentre 1989 y 1990.

Otro factor importante es el agrietamiento de tubos ogalerias en el interior del terraplén o la cimentación,

como fue el caso de la falla por sifonamientomecánico de la presa Zaza, provincia de SanctiSpíritus, Cuba, en 1972, que provocó fallas pordeslizamiento del talud aguas abajo.

El sifonamiento mecánico del terreno natural bajo elterraplén es aún más frecuente, pués los suelosnaturales son de estratificación más errática y puedencontener estratos permeables. Es por ello que serecomienda internacionalmente utilizar elementoscontrafiltraciones, que corten el flujo de filtración através de estratos permeables que se encuentran enla cimentación. El flujo de filtración a través de unestrato de arena, en contacto con el suelo delterraplén deficientemente compactado a lo largo de laobra toma, fue la causa de la falla original porsifonamiento mecánico de la presa Santa Ritaanteriormente mencionada. Otro ejemplo típico defalla por sifonamiento mecánico debido aestratificación errática con estratos permeables es lapresa Libertad, municipio especial, Isla de laJuventud, Cuba.

Los estudios sobre presas sifonadas, han demostradoque en los suelos existe un amplísimo margen desusceptibilidad al fenómeno; las propiedades de lossuelos, especialmente la plasticidad de sus partículas

finas, ejercen gran influencia, incluso mayor que lacompactación. La experiencia actual sobre lasusceptibilidad de los suelos al sifonamientomecánico, en orden descendente de resistencia alfenómeno, va desde arcillas muy plásticas (Ip > 15 %),bien compactadas hasta arenas limpias, finas,uniformes, con Ip < 6 %, deficientementecompactadas.

Los filtros graduados son la mejor defensa contra elsifonamiento mecánico, sea en la etapa de proyecto oen la de poner remedio a un mal ya presente.

Por tanto, podemos concluir que las fuerzasresistentes al sifonamiento mecánico dependen de laplasticidad de los suelos finos, del acomodamiento otrabazón que muestren las partículas y del peso delas mismas, así como de la existencia de filtrosgraduados aguas abajo.

No obstante, desde hace aproximadamente 40 añosse ha descubierto que también algunos sueloshomogéneos arcillosos pueden fallar porsifonamiento. En general este tipo de suelo posee altocontenido de sodio (Na) en el agua intersticial, conuna estructura dispersa de la cual toman el nombre de"arcillas dispersivas". Este tipo de suelo se erosionamediante un proceso en el cual las partículas



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coloidales de la arcilla se quedan en suspensión en elagua de infiltración, provocando la falla porsifonamiento, aún bajo gradientes hidráulicos bajos yfiltros correctamente diseñados. Las "arcillasdispersivas" han sido causantes de fallas por

sifonamiento en presas de tierra en numerosos paísescomo Australia, Venezuela, México, Estados Unidosde América, Brasil, Viet Nam y otros, desde los años60 del siglo pasado. En Cuba se produjo, en 1993, elfallo catastrófico total por sifonamiento de la presa LasCabreras, municipio de Guaimaro, provincia deCamagüey; en la investigación de los suelos de lacortina y la cimentación se detectó la presencia de"arcillas dispersivas". Esta presa constituye la únicaque ha presentado fallo catastrófico en Cuba, aunqueno hubo pérdidas de vidas humanas.

2.3. Falla por agrietamiento.

Posiblemente las fallas por agrietamiento causadospor asentamientos diferenciales en la cortina de tierrasean mucho más numerosas de lo que la literaturasobre el tema pudiera hacer pensar; en efecto, sereportan como tales los grandes agrietamientos queno pueden pasar inadvertidos, pero posiblementemuchas fallas de presas que se achacan a otrascausas, principalmente sifonamiento, tienen su origenen la aparición de grietas y fisuras no muy grandes enla masa de tierra.

El agrietamiento se origina cuando la deformación dela cortina produce zonas de tracción, que aparecen

por asentamiento diferencial de la masa del suelo, seapor deformación del propio cuerpo del terraplén o delterreno de cimentación. Como quiera que por estascausas la presa puede deformarse de muchos modos,los sistemas de agrietamiento, que el ingeniero puedeencontrar en sus inspecciones a presas son de unainmensa variedad. Las grietas pueden aparecerparalela o transversales al eje de la cortina y laorientación del plano de agrietamiento puede serprácticamente cualquiera. El agrietamiento puedeocurrir con anchos abiertos hasta de 15 ó 20 cm. sibien son más comunes anchos de grietas de 1 ó 2cm. Las presas de pequeña altura son las que más

comúnmente sufren el fenómeno, pero también sepresenta con frecuencia en las partes superiores delas presas altas. El que las presas menores sean lasmás susceptibles al fenómeno, quizás se deba a quelas presiones grandes que hay en el interior de laspresas mayores protegen al suelo.

Las grietas más peligrosas son las que ocurrentransversalmente al eje de la cortina, pues crean unazona de concentración de flujo; son producidasgeneralmente por asentamiento diferencial, de la zonade la cortina próxima a las laderas de la boquilla,respecto a la zona central del cauce.

La condición más peligrosa para este agrietamientoes que sea compresible el terreno en el que se hacedescansar la cortina.

Las grietas longitudinales suelen ocurrir cuando los

taludes de las presas se asientan más que su núcleo,lo que es típico en secciones con núcleo impermeablede material bien compactado y espaldones pesadosde enrocamiento.

No existe ningún criterio razonable, ni en el campo, nien el laboratorio, para estimar el monto dedeformación que puede soportar una cortina sinagrietarse.

Se ha hecho algo de investigación para tratar derelacionar las características de los materialesconstituyentes de la presa con su susceptibilidad alagrietamiento. Un estudio hecho por Sherard, 1953,muestra que las arcillas inorgánicas con Ip < 15 % ycon graduación dentro de cierto rango son mássusceptibles al agrietamiento cuando se compactandel lado seco, que otros suelos más finos o másgruesos. Las arcillas más plásticas con Ip > 20 %, másfinas que las anteriores, aguantan mucha másdeformación sin agrietamiento. Muchas de las presasagrietadas, analizadas en ese estudio, secompactaron con humedades bastante bastante másbajas (tanto como 5 %) que la humedad óptima de laenergía del Proctor Estándar. Un caso histórico defalla por agrietamiento ocurrió en Cuba, en la presaHiguanojos, provincia de Sancti Spíritus, durante el

primer llenado en octubre de 1977. Los suelosutilizados en esta presa tenían una graduación dentrodel rango dado por Sherald en su investigación de1953, plasticidad baja (Ip < 15 %) y fueroncompactados con humadades hasta de un 8 % pordebajo de la humedad óptima de la energía delProctor Estándar.

Narain, 1962, llegó a algunas conclusiones de interés,según las cuales un aumento de la humedad cuandoesta se encuentra entre 2 % a 3 % bajo la óptima,hasta este valor, aumenta sustancialmente laflexibilidad de las arcillas; aumentos subsecuentes

parecen ser de poca influencia, no obstante. Tambiénafirma este investigador, que no existe relación entrelas deformaciones que producen agrietamiento en lacortina y las que se obtienen en una prueba típica decompresión en el laboratorio, de modo que estaprueba no es buen índice para juzgar sobre lasposibilidades de agrietamiento. Por último, se afirmaque si se aumenta sustancialmente la energía decompactación en un suelo, para una cierta humedad,se disminuye la flexibilidad del material compactado yaumenta la vulnerabilidad al agrietamiento.



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2.4. Falla por deslizamiento de taludes.

La falla por deslizamiento de taludes es quizá la másestudiada de todas las que frecuentemente ocurrenen las presas de tierra. La razón es que, además de

su importancia intrínseca, es el tipo de falla mássusceptible de análisis y cuantificación con losmétodos existentes para el estudio de estabilidad detaludes.

Existe un buen volumen de información estadísticarespecto a este tipo de falla, de la que se desprendeque las fallas por deslizamiento ocurrenpreponderantemente en los primeros tiempos de lavida de la presa y también, y ésta es sin duda unaconclusión alentadora, acontecen cada vez másraramente en presas de reciente y cuidadosaconstrucción; de hecho parece haber evidenciasuficiente para poder decir que si el diseño y laconstrucción de una presa, por alta que sea, secuidan lo necesario, las técnicas de que se disponepermiten adoptar una actitud de tranquilidad ante laposibilidad de ocurrencia de estas fallas.

Las fallas por deslizamiento suelen considerarsedivididas en tres tipos principales:

1. Falla durante la construcción2. Falla durante la operación3. Falla después de un vaciado rápido

2.4.1. Falla durante la construcción.

Estas fallas han sido menos frecuentes que lasocurridas durante la operación; nunca han sidocatastróficas. Las fallas se han presentado sobre todoen presas cimentadas en arcillas blandas, con granporción de la superficie de falla a través de esematerial, y pueden ser rápidas o lentas, según que elmaterial de cimentación sea homogéneo o presenteestratificaciones que favorezcan el movimiento. EnCuba, hasta donde conoce el autor, no se hareportado este tipo de falla por deslizamiento.

2.4.2. Falla durante la operación.

Las fallas por deslizamiento de taludes que hanocurrido durante el período de operación de laspresas de tierra, han sido sobre todo de dos tipos:profundas, con superficie de falla invadiendogeneralmente terreno de cimentación arcilloso, ysuperficiales, afectando sólo pequeños volúmenes deltalud. Estas últimas son las que se han producido enCuba, según referencias personales al autor, en lapresa Zaza, Sancti Spíritus, y en la presa Herradura,Pinar del Río, y ninguna de las dos han sidocatastróficas.

El talud afectado es siempre el de aguas abajo.

2.4.3. Falla después de un vaciado rápido

Todas las fallas de importancia reportadas pordeslizamiento del talud aguas arriba han ocurridocomo consecuencia de un vaciado rápido. Las fallas

del talud aguas arriba no han causado el colapso dela presa o pérdida de agua en el almacenamiento,pero frecuentemente han causado situaciones depeligro al tapar conductos, galerias, etc. En elmencionado estudio de Sherard, 1953, respecto a 12presas, mostró que las fallas se presentaron en casosen que el nivel del agua estuvo descendiendo a partirdel máximo hasta la mitad de la altura a razón de 10 a15 cm/día. Una buena parte de las fallas durante elvaciado han ocurrido la primera vez que estaoperación se efectúa en forma importante. En Cuba,hasta donde conoce el autor, tampoco se hareportado este tipo de falla por deslizamiento.

Prácticamente todas las fallas profundas pordeslizamiento en presas de tierra han ocurrido enaquellas construidas sobre terrenos arcillososplásticos y con importante contenido de agua.También se ha observado una relación definitiva entreel riesgo de falla y lo arcilloso que sea el material queconstituye la cortina. En la referencia mencionada deSherard, 1953, se analizaron 65 presas de secciónhomogénea, de las que 14 sufrieron deslizamientos.Todas ellas estaban construídas con arcillas cuyaplasticidad podría describirse cuando menos como,media (15 Ip <30).

De las cortinas analizadas, todas aquellas en que D50

0,006 mm, fallaron; de las construídas con unmaterial en que: 0,006 mm D50 0.02 mm, fallaronla mitad y, finalmente, de las construídas con suelosen que: 0.02 mm D50 0.06 mm, sólo unas pocastuvieron problemas de deslizamientos.

Ninguna presa en que se hubiera usado un materialcon D50 > 0.06 mm falló, y ello aún tomando encuenta que algunas tenían taludes bastantesescarpados y padecían defectos de compactación.

2.5. Falla por sismo.

Juzgando por la experiencia de Sherard, et al , 1963,puede decirse que las fallas producidas por lossismos en las presas de tierra han presentado lassiguientes características:

1. Las fallas más frecuentes son grietaslongitudinales en la corona de la presa yasentamiento en la misma.

2. Solo existe un caso en que se ha reportado ladestrucción total de una presa de tierra porsismo, probablemente debido a licuación.



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3. Los daños en las presas parecen haber sidocausados principalmente por la componentehorizontal del movimiento sísmico en direccióntransversal al eje de la cortina.

4. Existen muy pocas fallas por deslizamientoatribuibles a estos temblores de tierra, aún encortinas deficientemente compactadas.

5. Hay ciertos indicios que permiten pensar quelos sismos que causan más daños a presastienen mayores períodos (menores frecuencias)que los que causan la máxima destrucción enedificios. Por esto, presas muy próximas alepicentro de un temblor pueden salir muchomejor libradas que otras colocadas a distanciasmucho mayores.

6. Los espaldones granulares mal compactados(bajo peso específico seco, d), o formados porfragmentos de roca muy contaminada por finos,puede sufrir fuertes asentamientos por sismo,que provocarían dificultades al elementoimpermeable. Así, la compacidad adecuada y ellavado de las rocas que lo ameriten constituyenuna precaución indispensable.

7. Del sismo puede emanar el riesgo de la falla porlicuación que se describirá a continuación.

En Cuba no se ha reportado, hasta donde el autorconoce, fallas por temblores, si bien es cierto que los

sismos ocurridos son de pequeña intensidad.

2.6. Falla por licuación.

Este fenómeno de la licuación está asociado a limosy arenas no plásticas.

En el caso de una presa de tierra, la licuación demateriales en la cortina conduce a un derrame de losmismos en grandes áreas, hasta adoptar taludesirregulares y muy tendidos, que en algunos casospueden sobrepasar el valor 10:1.

Como ya se dijo, los suelos más susceptibles a lalicuación son los finos, no cohesivos, de estructurasuelta y saturados. Estas características describen alas arenas finas y uniformes y a los finos no plásticos,o sus mezclas. Las arenas sueltas con D10 < 0,1mm ycoeficiente de uniformidad,Cu < 5 y los limos con Ip < 6% son los materiales más peligrosos, tanto en lacortina como en el terreno de cimentación de unapresa de tierra.

2.7. Pérdidas por filtración.

Para los casos de presas de tierra, cuyo objetivoprincipal sea el almacenamiento, constituiría una fallagrave, aunque no catastrófica, la infiltración del agua

del embalse, ya sea a través de la cimentación o lacortina, que impida que la misma alcance su objetivode almacenar agua.

Tal fue el caso de la micropresa Cuatro Caminos de

Falcón, construída a finales de la 7

ma

década del siglopasado en el municipio La Lisa, Ciudad de LaHabana, Cuba, que no llegó a almacenar agua porencontrarse en zona cársica el embalse.

3. Medidas y medios para evitar las fallas graves o

catastróficas.

Como ya se mencionó, el diseño y construción de unapresa de materiales locales se realiza con el objetivode garantizar que no se produzcan fallas graves ocatastróficas a lo largo de su vida útil. Para ello elproyectista y el constructor tienen que saber lasmedidas y medios a aplicar en las etapas de estudio,proyecto y construcción, que posibiliten alcanzar elobjetivo trazado y con ello la finalidad social yeconómica por la cual se construye la presa de tierra.

3.1. Rebase de la cortina.

Para evitar el rebase de la cortina debido ainsuficiencia del vertedor, el proyectista debe realizarestudios sistemáticos de cuencas y escurrimientos,que abarquen lapsos prolongados. La aplicación de laHidrología como ciencia y los métodos modernos decálculos hidrológicos han reducido este tipo de fallacatastrófica en el mundo, en los últimos 50 años.

Como ya se mencionó al inicio, este problema se salefuera de los objetivos de este trabajo .

Si el problema de posible rebase de la cortina es porasentamiento excesivo del cimiento y la cortina, comoes el caso de la presa Abreus, en Cienfuegos, Cuba,esto debe ser detectado por la investigacióningeniero-geológica, tomando el proyectista medidaspertinentes, como son la colocación de bermas, aguasarriba y aguas abajo, para distribuir las cargas en unamayor área; con lo que reduce los agrietamientosinteriores en la presa. Debe preverse además, por elproyecto, el recrecimiento de la cortina. En última

instancia, podría tomarse la decisión de abandonar ellugar en busca de un cierre con un cimiento másfirme. Los asentamientos por sudsidencia de la cortina(debida al peso propio del terraplén) propiamente,nunca llevarán al fallo por rebase de la cortina, ya queen el caso de que éstos sean excesivos en magnitud,los mismos también se producen en el tiempo,permitiendo ser medidos y reparados mediante elrecrecimiento de la cortina.

3.2. Sifonamiento mecánico.

Este fallo, que como se conoce tiene dosposibilidades de ocurrencia, por el cimiento o por lacortina, ha sido siempre preocupación de los



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proyectistas. Es por ello que muchos de losrequerimientos que hoy día se exigen en las presasde tierra, son medidas concebidas para disminuir laposibilidad de sifonamiento; ejemplo de lo anterior sonlas especificaciones de humedad y peso específico

seco para los suelos en contacto con las estructurasde hormigón, que son zonas preferenciales para laocurrencia de este fenómeno. También las exigenciasen cuanto a homogeneidad del terraplén, evitandozonas potenciales de flujo, entre otras que semencionarán más adelante, han hecho que en lapráctica moderna de construcción de presas, sea raroun caso de sifonamiento por el terraplén. No obstante,para evitar el sifonamiento por la cortina, lasprioridades que debe tenerse en el proyecto y laconstrucción, deben ser las siguientes:

a) Utilizar suelos plásticos en la medida de loposible, Ip 15 %, que son suelos nopropensos al sifonamiento mecánico, o sea,resistentes al arrastre de partículas.

b) Compactar los mismos con energía decompactación alta, a fin de lograr mayortrabazón entre partículas.

c) Compactar con humedades en un rango devalores entre 2 % de la humedad óptima delProctor Estándar y grados de compactaciónpor encima del 90 % de dicha energía.

d) Si los suelos tienen Ip < 15 %, entonces el

suelo se considera propenso al sifonamiento ysolo nos queda, como medida para evitar estefenómeno, aplicar energía de compactaciónalta.

Aparte de estos requerimientos constructivos sobretipo de suelo: homogeneidad del terraplén, humedad yenergía de compactación, la práctica moderna deldiseño y construcción de presas de tierra incluyemedidas que tienden a evitar este tipo de falla. Estasson:

Disminuir el gradiente hidráulico, “i”, bajo la

presa, bien sea cortando el flujo de filtración oalargando el mismo con estructuras, talescomo: dentellones, paredes de suelos,tablestacas, delantales e inyecciones.

Controlar la salida del agua de filtración al piey sobre el talud, de modo que no seproduzcan arrastres de partículas de suelo.Esto se logra mediante la colocación dedrenajes con filtro invertido.

Todo lo anterior es válido siempre que se esté enpresencia de suelos “no dispersivos”, ya que si hay

suelos “dispersivos” será inútil cualquier medida quese tome. Es por ello la importancia, durante el período

de investigación ingeniero-geológica, de utilizarmétodos de investigación que permitan detectar estetipo de suelo, en los cuales la falla por sifonamientomecánico es inevitable.

3.3. Agrietamiento.

La experiencia cubana antes de 1977, en este tipo defalla catastrófica era totalmente nula, como se puedeobservar en las referencias bibliográficas (Armas,1992 y Horta y Montaña, 1980), no fue hasta despuésde la falla por agrietamiento de la presa Higuanojos,Sancti Spíritus, Cuba, y de la falla por sifonamiento-agrietamiento de la presa Santa Rita, Santiago deCuba, Cuba, que se mostró finalmente la importanciade este tipo de accidente y la prioridad que debe teneren el proyecto y la construcción, ya que no existe otramanera de evitarla que no sea con buena selecciónde los suelos a utilizar y la forma de colocarlos en elterraplén. Por tal motivo, se deben priorizar por todoslos responsables del proyecto y construcción, lossiguientes criterios:

a) Utilizar suelos plásticos en la medida de loposible, Ip 15 %, que son suelos nopropensos al agrietamiento, o sea, másresistentes a las tracciones.

b) Compactar los mismos con energías decompactación bajas, similares a las delProctor Estándar estudiado en el laboratorio,cuyo valor de la humedad óptima se

encuentra, muy frecuentemente, próxima allímite plástico (LP) de los suelos finos.

c) Compactar con humedades en un rango devalores entre 2 % de la humedad óptima delProctor Estándar y grados de compactaciónpor encima del 90 % de dicha energía.

d) Si los suelos tienen Ip< 15 %, entonces elsuelo se considera propenso al agrietamientoy la única medida para evitar la falla poragrietamiento está en cómo compactarlo.Para ello se exige compactar con humedades

por encima de la óptima de la energía delProctor Estándar y siempre por encima del LPdel suelo. Bajo ninguna circunstancia seadmite compactar, en este tipo de suelo, conhumedades por debajo del LP y, menos aún,no alcanzar el grado de compactaciónsuperior al 90 % de la energía del ProctorEstándar.

Los criterios anteriores deben ser más rigurosamenteexigidos, cuando la geometría de la sección de cierretenga características que favorezcan la aparición deasientos diferenciales, como fueron los casos de la

presa Apishapa, Colorado, EUA, según Sherard, et al ,



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1963, y la presa Higuanojos, Sancti Spíritus, Cuba,anteriormente mencionada.

3.4.Deslizamiento de taludes.

Para evitar la falla por estabilidad de los taludesdebemos seleccionar suelos granulares, que son másresistentes al esfuerzo cortante, los que deben sercolocados en el terraplén con energía decompactación altas y humedades bajas. Otra medidaque está en poder de los ingenieros, es proyectar lostaludes con factor de seguridad contra eldeslizamiento mayores, que los que establece lanorma, lográndose entonces los taludes máseconómicos, que garanticen que no se produzca lafalla por deslizamiento.

Si por el contrario se tienen que seleccionar suelosfinos, que llevan implícito baja resistencia al esfuerzocortante y a los cuales no es económico aplicarenergías de compactación altas, entonces, habrá querecurrir a variar la pendiente de los taludes,haciéndolos menos inclinados, para garantizar losfactores de seguridad que eviten que se produzca lafalla por deslizamiento de éstos.

3.5. Sismos.

En zonas sujetas a actividad sísmica es preciso teneren cuenta los efectos que se producirán en laestabilidad de la presa, si se llegara a manifestar unfenómeno de dicha naturaleza. Existen

procedimientos de cálculo para determinar lainfluencia de un sismo en la estabilidad de una presa.

Sin embargo, con ellos lo único que se pretende esvalorar su influencia en la estabilidad de los taludesdel terraplén. Pero no es éste el único, ni siquiera elmás importante, de los efectos que un sismorepresenta.

Pasaremos, por tanto, primero revista a cuáles sonestos efectos y qué medidas pueden tomarse parapaliar los daños que tienden a producir. Por últimoharemos algunas observaciones sobre el cálculo de la

estabilidad de los taludes en sí.

3.5.1. Asientos de la coronación.

Al someter un suelo a vibración se produce laconsolidación del mismo, con los asientosconsiguientes. En el caso de una presa, esteasentamiento puede producirse en los materiales dela cimentación o en el cuerpo de la presa en sí,provocando la falla catastrófica por rebase de lacortina. Por este motivo, en los sitios donde puedaproducirse esta falla, es conveniente disponer de unresguardo amplio, especialmente si los materialesutilizados son propicios a ellos, como sucede cuandoson poco plásticos.

3.5.2. Licuación de los materiales del cimiento.

Si la cimentación o la cortina están formados porarenas sueltas o materiales propensos a la licuación,se puede producir la destrucción total de la presa

debido a este fenómeno, cuando ocurren sismos.Esta falla por licuación, provocada ante la ocurrenciade sismos, sólo se puede evitar con un estudioingeniero-geológico correcto de los materiales queconstituyen el cimiento y de los préstamos que seseleccionen para la construcción del terraplén ocortina. Si se conoce de la presencia de estosmateriales propensos a la licuación se debe variar laubicación del cierre y buscar otros préstamos demateriales más plásticos.

3.5.3. Agrietamiento del cuerpo de la presa.

Por efecto de los sismos parece probable que lacoronación de la presa vibre con mayor amplitud quela base, produciéndose una especie de efecto “látigo”,según Sherard, et al , 1963. Por otra parte, ya hemosindicado que las vibraciones tienden a originar. Todoello puede ser causa de agrietamientos en el cuerpo

de la presa. Una de las partes que más sufre bajo estos efectos esla coronación. Por ello, aunque teóricamente desde elpunto de vista del cálculo de la estabilidad de taludes,puede estar justificado que la pendiente sea másinclinada en la parte alta de la presa, desde el punto

de vista de los sismos, es conveniente que los taludesen las proximidades de la coronación sean los mássuaves posibles. Otra manera de hacer frente a esteproblema puede consistir en aumentar el ancho de lacorona, sin variar los taludes.

El medio más eficaz para evitar los peligros de laformación de grietas, consiste en la construcción,aguas abajo del núcleo de impermeabilización y entoda la altura de la presa, de un filtro graduado odrenaje de chimenea.

En algunas presas, además del filtro aguas abajo, se

ha colocado también una capa de material granularcon finos, aguas arriba del núcleo de arcilla. De estamanera, si se produce el agrietamiento, el aguaarrastra fácilmente las partículas de esta capagranular, ayudando a cerrar con rapidez la grietaformada.

3.5.4. Oleaje.

Cuando se produce un sismo, el movimiento del aguaen todo el vaso de la presa puede originar olas dealtura considerable, que lo recorren de uno a otroextremo varias veces, con el consiguiente peligro desaltar por la coronación y producir la falla por rebasede la cortina de la presa.



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Este efecto puede preverse, dejando un resguardomás amplio al calcular la cota de la corona.

3.5.5.Deslizamientos.

Por los efectos sísmicos puede producirse corrimientode las laderas del vaso. Si los volúmenesdesprendidos son importantes con relación a sucapacidad, existe el peligro de que se forme una ola alcaer en el agua, que pueda desbordar la presa yproducir la falla por rebase de la cortina.

También en el cuerpo de la presa pueden producirsedeslizamientos de sus taludes, debido al sismo y másadelante haremos las consideraciones oportunassobre este punto.

3.5.6.- Fallas geológicas.

Pueden existir estas fallas, bien en el vaso delembalse o en la misma cimentación de la presa.

Una falla en el vaso, si se mueve, puede condeterminadas disposiciones disminuir la capacidad delembalse con el consiguiente peligro dedesbordamiento de la presa.

La situación más desfavorable se produce cuando lafalla atraviesa la cimentación de la presa, lo quenormalmente aconsejará escoger otro emplazamiento.

De todas formas es evidente que, antes de tomar la

decisión de construir una presa en un emplazamientode estas características, es preciso realizar un estudiogeológico detalladísimo y tener muy bien previstostodos los posibles efectos que pudieran producirse.

3.5.7. Cálculo de la estabilidad de taludes sujetos a efectossísmicos.

Para el cálculo de la estabilidad de taludes sometidos a

efectos sísmicos, se utiliza con frecuencia un procedimiento

análogo al seguido en estructuras. Consiste en efectuarlopor el método habitual de superficies dedeslizamiento, pero añadiendo componentes

horizontales de magnitud adecuada a la intensidad delsismo previsto.

Muchos ingenieros recurren a este procedimiento, quees sencillo de aplicar, aún a sabiendas de que susbases teóricas no son muy sólidas. Los coeficientesde seguridad que admiten con estas hipótesis sonmás reducidos que los normales.

Algunos proyectistas según Sherard, et. al., 1963, sinembargo, recomiendan incluso que no se emplee. Lasrazones que aducen son, entre otras; que lasoscilaciones producidas por los sismos son muyrápidas y de sentido alternativo. Por consiguiente, aúnsuponiendo que llegara a superarse la resistencia a

esfuerzo cortante del suelo, los desplazamientos quese originarían en su masa serían muy pequeños.

Se ha observado, además, que en presas existentes,salvo raras excepciones y por motivos no muy

definidos, no se han ocasionado deslizamientos desus taludes por los efectos de un sismo.

Parece, sin embargo, evidente que los efectossísmicos son una causa adicional de inestabilidad queinteresa valorar de alguna manera.

Por este motivo, continúan haciéndose activasinvestigaciones sobre el tema mediante ensayos enmodelo reducido y desarrollando nuevas teorías decálculo.

En las presas de enrocamiento se suele recomendarrecurrir a taludes más conservadores de lo normal, enlas zonas propensas a efectos sísmicos.

3.6. Licuación.

Como se mencionó, las fallas por licuaciónprovocadas por la ocurrencia de sismos estánasociadas a la existencia de suelos finos, nocohesivos, de estructura suelta y saturados. La formade evitar este tipo de falla está en el estudioingeniero-geológico correcto de los materiales queconstituyen el cimiento y de los préstamos que seseleccionen para la construcción del terraplén ocortina. Ante la presencia de estos materiales

propensos a la licuación se debe variar la ubicacióndel cierre y buscar otros préstamos de materiales másplásticos.

3.7. Pérdidas por filtración.

Para evitar este tipo de falla grave, aunque nocatastrófica, el ingeniero proyectista se basa en lainvestigación ingeniero-geológica, la cual debedetectar la posible existencia de fallas, zonas cársicasy suelos permeables.

La ubicación del cierre y la proyección de elementos

contrafiltraciones son las medidas que garantizan queesta falla no ocurra. Si se quisiera disminuir, aún más,las pérdidas por filtración a través de la cortina,resulta muy recomendable compactar con humedadesligeramente superiores a la óptima del ProctorEstándar.

4. Conclusión.

Finalmente se puede decir que el diseño de una presade tierra, se basa en estudios analíticos y en laexperiencia humana precedente. La experienciapersonal y las preferencias del proyectista general, sinembargo, juegan un papel mayor en el caso delproyecto de presas, que en cualquier otra estructura.



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En un lugar específico es posible construir unavariedad de secciones de presas que cumplan lasexigencias de seguridad y economía, y así existenejemplos donde ingenieros competentes hanpropuesto diseños diferentes como solución de un

mismo embalse.La experiencia nacional e internacional en el diseño yconstrucción de presas de tierra, así como elconocimiento de las causas que han provocado lasfallas en las mismas, a pesar de la tendencia que aúnexiste de ocultar los errores que se cometieron,permiten, en el caso de Cuba y otros muchos paísestropicales y subtropicales, establecer criterios a seguirpor los proyectistas generales, de acuerdo a laimportancia de cada una de las fallas graves ócatastróficas que pudieran presentarse en cada casoparticular.

Ante la posibilidad de ocurrencia de los diferentestipos de falla en un proyecto específico, el proyectistay el constructor deberán tener en cuenta las medidasque garanticen evitar las mismas, según el siguienteorden de prioridad:

1. Agrietamiento.2. Sifonamiento mecánico.3. Deslizamiento de taludes.4. Pérdidas por filtración.5. Temblores.6. Rebase de la cortina.7. Licuación.

A continuación se detallan las medidas a tener encuenta en el proyecto y la construcción, así como elorden de prioridad, según lo anteriormente planteado,tanto aquellos de sentido general que tienen que vercon la geometría de la sección y la ubicación decierre, como las particulares relacionadas con laselección de los materiales y la forma de colocaciónde éstos en la obra.

4.1. Agrietamiento.

La falla por agrietamiento debe ser la primera

preocupación del proyectista y el constructor en todoproyecto de presas de tierra, ya que no existe otramedida para evitarla que no sea la buena selecciónde los materiales a utilizar y la forma de colocarlos.Por tal motivo se deben priorizar por todosresponsables de la obra, los siguientes criterios:

a) Utilizar suelos plásticos en la medida de loposible. Se recomienda suelos con Ip 15 %,que son materiales no propensos alagrietamiento.

b) Compactar los mismos con energías decompactación baja, similares a las del ProctorEstándar estudiado en el laboratorio, cuyo

valor de la humedad óptima se encuentra,frecuentemente, próxima al LP, de los suelosfinos.

c) Compactar con humedades en un rango de

valores entre 2 % de la humedad óptima delProctor Estándar y grados de compactaciónpor encima del 90 % de dicha energía enpresas de tierra de 4ta Categoría y porencima del 95 % en presas de tierra de 3ra,2da y 1ra Categorías.

d) Si contrario al inciso (a) y bastante común, elsuelo seleccionado tiene un Ip< 15 %,entonces el suelo se considera propenso alagrietamiento y la única medida a considerarpara evitar esta falla, está en cómocompactarlo.Para ello se exige compactar elsuelo con humedades por encima de laóptima del Proctor Estándar y siempre porencima del LP, del suelo. Bajo ningunacircunstancia se puede admitir compactar, eneste caso, con humedades por debajo del LP,y menos aún no alcanzar grados decompactación superiores al 90 % de laenergía del Proctor Estándar en presas de 4taCategoría y al 95 % en el resto de las presascon Categorías de 3ra, 2da y 1ra.

Los criterios anteriores deben ser másrigurosamente exigidos, cuando la geometría dela sección de cierre y la compresibilidad de los

materiales de cimentación propicien los asientosdiferenciales que provocan agrietamiento.

4.2. Sifonamiento mecánico.

Esta falla debe ser la segunda preocupación delproyectista y el constructor en todo proyecto depresas de tierra. Las medidas para evitarlas, queestán en función de la selección de los materiales autilizar y la forma de colocarlos en la obra, tienen quesupeditarse a las recomendaciones dadas para evitarel agrietamiento. Esto se debe a que para evitar elsifonamiento mecánico el proyectista tiene otras

medidas efectivas, como son la colocación de drenescon filtro invertido y el diseño de elementocontrafiltraciones como son: dentellones, paredes desuelo, tablestacas, delantales e inyecciones, quetienen como objetivo reducir el gradiente hidráulico,“i”, en la cimentación. Por ello, se deben priorizar portodos los responsables de obra, los mismos criteriosdados para evitar el agrietamiento, aunque elcompactar con energías bajas no sea la mejordecisión para evitar el sifonamiento.

Se ratifica que todo lo anterior es valido siempre quese esté en presencia de suelos “no dispersivos”. Antela presencia de suelos “dispersivos”en la cortina y/ocimientos, no hay medidas para evitar el sifonamiento



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mecánico. De ahí la importancia de la investigacióningeniero-geológica para la detección de este tipo desuelos.

4.3. Deslizamiento de taludes.

Si se priorizara durante el proyecto y la construcciónevitar este tipo de falla, por encima del agrietamientoy el sifonamiento, entonces las medidas para evitar elmismo estarían encaminadas al uso de suelosgranulares, que son más resistentes, y a compactarcon altas energías y humedades bajas. Todo elloestaría, en grado sumo, en contradicción con loplanteado para el agrietamiento.

Como el orden de prioridad está dado para evitar elagrietamiento y el sifonamiento, resulta pues que larecomendación sigue siendo utilizar suelos finos yplásticos, (Ip 15 %), y compactar como se harecomendado para evitar el agrietamiento.

Para evitar entonces la falla por deslizamiento,teniendo que utilizar suelos finos con alta humedad ybaja energía de compactación, lo que lleva implícitobaja resistencia al cortante, es necesario, para lograrfactores de seguridad que hagan a la estructuraestable, utilizar taludes más tendidos y modificar eneste sentido la geometría de la sección transversal dela presa.

4.4. Pérdidas por filtración .

Las filtraciones a través de la cimentación tienen queser reducidas mediante cualquier elementocontrafiltraciones, parcial o total, de las yamencionadas para evitar las fallas por sifonamientomecánico. Especial atención debe tenerse, durante lainvestigación ingeniero-geológica, en la detección deformaciones cársicas, fallas y suelos dispersivos.

Para la cortina, la priorización dada para evitar la fallapor agrietamiento, lleva a obtener terraplenes de bajapermeabilidad, que reducen las pérdidas por filtracióna través del mismo.

Si se quisiera por el proyectista y el constructordisminuir, aún más, las pérdidas por filtración a travésde la cortina, garantizando las recomendaciones ycriterios para evitar el agrietamiento y el sifonamiento,se exigiría compactar siempre con humedadesligeramente superiores a la óptima del ProctorEstándar (2 ó 3), en cualquier tipo de suelo.

4.5. Sismos.

Aunque solo existe un caso en que se ha reportado ladestrucción total de una presa de tierra por sismo,probablemente debido a licuación, la existencia de losmismos es inevitable y pueden provocar, como yavimos, fallas por rebase de la cortina al producir

asentamientos de la corona, licuación de materialesdel cimiento y la cortina, agrietamiento del cuerpo dela presa, activación de fallas geológicas, oleajes quepueden llevar al rebase de la cortina, etc. Por todoello, ante los efectos de sismo, las medidas

recomendadas para paliar los daños que tienden aproducir son: considerar un resguardo mayor de lacota de corona, mayor ancho de la corona y taludesmás tendidos. No existen recomendaciones conrelación a la selección de los materiales a utilizar y acómo colocarlos, que no sean las dadas para evitar elagrietamiento, ya que de hecho éstas son las que nosllevan a terraplenes más flexibles para resistir lasfallas por agrietamiento que los sismos provocan.

4.6. Rebase de la cortina.

El rebase de la cortina por insuficiencia del vertedorsale fuera del alcance de este trabajo y como, ya sedijo, cae en el campo de acción de la Hidrología.

Sin embargo, el rebase de la cortina por asentamientoexcesivo de la misma y la cimentación debe serpronosticado por la investigación ingeniero-geológicay se recomienda al proyectista la adopción de unmayor resguardo o bordo libre. Los asentamientos porsubsidencia o peso propio de un terrapléncompactado se desarrollan durante largos períodosde tiempo, por lo que se permite el recrecimiento de lacorona con material plástico, como arcillas de Ip 15% y compactadas con humedades por encima de laóptima del Proctor Estándar.

4.7. Licuación.

Las medidas recomendadas para evitar esta falla,provocada por la ocurrencia de sismos, se ciñen auna buena investigación ingeniero geológica, quedetecte la existencia de suelos propensos a lalicuación en la cimentación y en los préstamos.

Ante la existencia de suelos que puedan fallar porlicuación, siempre está en manos del proyectistacambiar la ubicación del cierre y seleccionarmateriales más apropiados, aunque estén a mayordistancia de la obra.



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