Captulo 2

PRESAS DE TIERRA.En este captulo presentaremos los aspectos bsicos del diseo de Presas de Tierra

Terminologa.

Estudios previos. Anlisis de estabilidad. Procedimientos de construccin. Flujo de agua.2.1. Terminologa.

Elementos principales de una presa de tierra:

Coronamiento

Revancha

Talud de aguas arriba

Nivel de aguas mximo

Talud de aguas abajo

Rip rap

Cuba

Muro

Dren carpeta

Cauce

Impermeabilizacin del lecho

Talud de aguas arriba: Desde 4:1 hasta 2.5:1 (H:V) en funcin del material del muro y su altura, y del sismo de diseo.

Talud de aguas abajo: Desde 3:1 hasta 1.5:1 (H:V) en funcin del material del muro y su altura, y del sismo de diseo.

Ancho del coronamiento: Mnimo 3m (a mayor ancho mejor comportamiento ssmico).

Material del muro: Idealmente impermeable, poco compresible, con buena resistencia al corte y buena trabajabilidad.

En funcin de la disponibilidad en el lugar y el volmen a construir, las soluciones variarn desde muros homogneos (un solo material) hasta muros zonificados constitudos por dos o ms materiales diferentes.

Impermeabilizacin del lecho: Las soluciones variarn en funcin del tipo de material constitutivo y la profundidad necesaria de impermeabilizacin como se muestra en la siguiente figura.

Alternativas de impermeabilizacin bajo el muro de presa:

Terreno natural

Escarpe o rebaje del terreno natural:

Rebaje

Suelo o roca impermeables

Terreno natural

Nucleo invertido:

Rebaje

Nucleo invertido

Suelo permeable del lecho

suelo imp.

Compactado

Suelo o roca impermeables

Inyecciones de lechada o mortero de cemento:

Muro cortina de hormign colado en sitio:

Inyeccin

Suelo permeable

Roca fisurada

Material imp.

Tipos de muros en presas de tierra:

Muro homogneo

Muro zonificado:

Permeable Imperm. Permeable

Carcaza o

Nucleo

Carcaza o

Espaldn

Espaldn

Nucleo invertido

Esquema de presa de tierra de gran altura:

Permeable Semiperm. Impermeable SemipermPermeable

Material permeable

Muro cortina

Material impermeable

2.2. Estudios previos.

Para realizar el Diseo geotcnico de una Presa de Tierra, es necesario disponer de los resultados de los siguientes Estudios Previos:

a) Geologa del lugar

b) Sismicidad del sitio

c) Prospecciones directas e indirectas del subsuelo

d) Ensayos in situ y en laboratorio

e) Disponibilidad de emprstitos

f) Prediseo hidrulico de la obra

2.3. Anlisis de estabilidad.

Para realizar el anlisis de estabilidad de los taludes, se debe conocer:

a) Los parmetros geotcnicos de los suelos comprometidos:

Cohesin (Ton/m2)

ngulo de friccin interna ()

Peso unitario en estado natural y saturado (Ton/m3)

b) Posicin estimada de la napa.

c) Sismo de diseo.

El clculo de los Factores de Seguridad (FS) se hace utilizando un programa computacional adecuado considerando los casos:

a) Tranque vaco al trmino de la construccin

b) Tranque al trmino del llenado inicial (napa incipiente)

c) Tranque lleno en servicio (napa en rgimen permanente)

d) Tranque al trmino de un vaciado rpido (cuba vaca y napa elevada)

Caso (a)

Caso (b)

Caso (c)

Caso (d)

2.4. Procedimientos de construccin.

Las principales etapas constructivas en el caso de una presa de tierra son:

a) Construccin de las obras de desviacin del curso actual

b) Construccin de las obras de proteccin ante crecidas

c) Desvo de las aguas

d) Rebaje del terreno original

e) Excavacin de la obra de impermeabilizacin del lecho

f) Construccin del nucleo invertido o del muro cortina segn el caso

g) Construccin del dren carpeta

h) Construccin del muro de presa por capas, compactadas de acuerdo a lo especificado

i) Proteccin del talud aguas arriba (Rip rap)

j) Construccin de las obras hidrulicas relacionadas

k) Proteccin del talud aguas abajo

l) Colocacin de la instrumentacin para medir el comportamiento de la presa durante su vida til

m) Reencauzamiento de las aguas

Sugerencias para su estudio independiente:

Repase lo visto en clases presenciales acerca de:

Tranques de relave

Proceso constructivo de una presa de tierra: etapas, mquinas y equipos (Video El Cadillal)

Construccin de muros cortina de impermeabilizacin bajo la presa

Investigue acerca de:

Fallas de presas en Chile y en otros pases

Recomendaciones del libro Diseo de Presas Pequeas

Zonificacin ssmica en Chile

Efectos del terremoto del 3/3/95 en los tranques de la zona central de Chile y aceleraciones medidas en diferentes presas

Clculo de la altura de ola que define la revancha

2.5. Flujo de agua en suelos.

En el estudio del flujo de agua a travs de una presa, buscamos encontrar:

a) Gasto que infiltra a travs del muro y bajo l

b) Presin de poros en cualquier punto dentro de la regin de flujo

c) Valor del gradiente hidrulico en cualquier punto del escurrimiento

El mtodo de solucin mas tradicional es el de la Red de Flujo, en tanto que los mas modernos se basan en el uso de programas de Elementos Finitos o de Diferencias Finitas.

Para estimar el gasto a traves del muro, se debe conocer el valor del coeficiente de permeabilidad del suelo infiltrado, el cual se puede determinar haciendo ensayos de permeabilidad en probetas compactadas en laboratorio, a similar grado de compactacin que lo especificado para la obra.

Para estimar el gasto bajo el muro, se debe conocer la permeabilidad in situ, a travs de ensayos del tipo Lugeon y Le Franc.

Procedimiento a usar en el mtodo de la Red de Flujo:

a) Defina las lneas de escurrimiento lmites y las equipotenciales de entrada y salida que determinan la regin de flujo.

b) Dibuje lineas de escurrimiento y equipotenciales intermedias, de manera de constituir la Red de Flujo.

c) Evale cada equipotencial.

d) Efecte los clculos que requiera.

Ejemplo:

Equipotencial de entrada

Lnea de escurrimiento lmite sup.

Equipot. de salida

Lnea de escurrimiento lmite inf.

Equipotencial de entrada

Lnea de escurrimiento lmite sup.

100.00

H=100m

83.34

66.68

Equipot. de salida

Lnea de escurrimiento lmite inf.

50.00 33.33 16.66

Datum

Parmetros de la Red:

Nmero de tubos de flujo (NF)=N de lneas de escurrimiento 1 = 3 1 = 2

Nmero de caidas de potencial (ND)=N de equipotenciales 1 = 7 1 = 6

Cada de potencial=Prdida de carga/ND=100m/6=16.67m

Ejemplo:

Presa de muro homogneo constituda por suelo GC, con 102m de altura y revancha de 2m

Equipotencial de entrada

Lnea de escurrimiento lmite sup.

100.00

H=100m

83.34

Equipot. de salida

k=10-5cm/seg

66.68

Lnea de escurrimiento lmite inf.

50.00 33.33 16.66

Datum

Gasto que infiltra:

Suponiendo que se ha podido generar la Red en base a cuadrados curvilneos,

Gasto (Q)=kHNF/ND=10-71002/6=3.310-6(m3/seg/m)

Para 500m de largo: QT=1.6510-3(m3/seg)=1.65(lt/seg)=5940(lt/hora)

Ejemplo:

Presa de muro homogneo constituda por suelo GC, con 102m de altura y revancha de 2m

100.00

H=100m

83.34

Bx 66.68

Ax

50.00 33.33 16.66

Datum

0.00

C

Presin de poros en puntos seleccionados:

Puntoh(m)he(m)hp(m)u(Ton/m2)u (kg/cm2)

A83.3413.0470.3070.30

7.03

B73.3424.6448.7048.70

4.87

Gradiente en el punto C: i=(h/l=16.66/12=1.39>1(icritico)

0.0

0.0

Ver Apunte de Suelos I pgina 51