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PRESAS DE TIERRA Y ENROCADO
Ing. Jaime Suárez Díaz
erosion.com.co
Otras referencias
Clasificación de las presas
De acuerdo con lo establecido en la Comisión Internacional de
Presas Grandes (Internacional Comision on Large Dams-ICOLD),
las presas pueden clasificarse en dos categorías:
· Grandes Presas:
Dimensiones: altura > 15 m, corona > 500 m, embalse > 1 Hm3
o Capacidad de desagüe > 2000 m3/s, también por características
especiales de cimentación o diseño.
· Pequeñas Presas:
Todas las que no cumplan con las condiciones anteriores.
Clasificación por material
De acuerdo con el material con el que fue construida la presa
· Tierra: Materiales compactados, no rígidos, seleccionados y con un grado de
humedad óptimo. Pueden haber presas en tierra homogéneas o zonificadas por
diferentes granulometrías.
· Enrocados: grandes diámetros.
· Concreto: Concreto convencional o CCR “concreto compactado con rodillo”.
Clasificación por tipo
Por la forma de resistir el empuje hidrostático.
· De Arco o Bóveda: Trasmiten el empuje al terreno.
· De Gravedad: Resisten por el peso propio (macizas y aligeradas).
· De Arco Gravedad: Resisten por combinación de su peso y trasmisión al terreno.
En Concreto
En Tierra
Por que se construyen
presas en tierra?
1. Generalmente son más económicas
2. Resisten mejor los asentamientos de la
cimentación
Cuando se refiere a tierra
el enrocado o escollera se encuentra incluido
El enrocado es uno de los materiales más
utilizados en la construcción de presas
Previamente al diseño se debe definir el objetivo
de la presa y las necesidades y expectativas
HIDROELECTRICO
RIEGO
ACUEDUCTO
REGULACION DE AGUAS
CONTROL DE INUNDACIONES
RECREACION
ETC.
ACUEDUCTO
El uso del proyecto determina una gran cantidad de
elementos del diseño
HIDROELECTRICA
Riego
Recreación
Reservorios
Partes de una presa de tierra
Estribo derecho
Talud aguas abajo
Talud aguas arriba
Vertedero principal
Muros del vertedero
Berma
Corona
Rip-Rap
Salida del sub-dren
Pié de la presa
Vertedero de emergencia
Estribo izquierdo
Partes de una presa de tierra
Operador mecánico
Casa de máquinas
Compuertas del
vertedero
Vertedero principal
Estribo izquierdo
del vertedero
LLoraderos
Estribo derecho
del vertedero
Seccion de una presa de tierra
Dren
Embalse
Espaldón
Núcleo
El terraplén es una estructura para contención de agua
construída con materiales y suelo y/o roca
Requerimientos técnicos
La presa, la cimentación y los estribos deben ser estables para
todo tipo de condiciones de carga estáticas y dinámicas.
Requerimientos técnicos
La infiltración a través de la fundación el terraplén debe ser
controlada para evitar deslizamiento, presiones de
levantamiento en el pié de la presa, sifonamiento de los
materiales o erosión en juntas, grietas o cavidades
Requerimientos técnicos
Las infiltraciones no deben superiores a las permisibles para
que la presa cumpla eficientemente con su propósito. La
presa debe contener las obras y elementos requeridos para
garantizar unas infiltraciones aceptables.
Requerimientos técnicos
El borde libre debe se suficiente para evitar el paso de agua sobre
la presa debido a cambios de caudal, ascenso de las olas, y
asentamientos del terraplén.
Borde libre
Requerimientos técnicos
El vertedero debe tener una capacidad suficiente para manejar
los caudales de excesos durante la vida de la presa.
JAIME SUAREZ DIAZ
Informacion requerida para el diseño
HIDROLOGIA – CARACTERISTICAS DE LA CUENCA
GEOLOGIA
GEOTECNIA
MATERIALES DISPONIBLES
JAIME SUAREZ DIAZ
TOPOGRAFIA
Decisiones iniciales
 SITIO DE PRESA
 ALTURA DE EMBALSE
La altura de la presa se
define sin tener muy en
cuenta la geología y la
geotecnia.
Selección del sitio
•PARA LA PRESA
• PARA EL ALIVIADERO O VERTEDERO
JAIME SUAREZ DIAZ
Generalmente el sitio se escoge por sus
características topográficas y de
localización
Selección del sitio
•PARA LA PRESA
• PARA EL ALIVIADERO O VERTEDERO
JAIME SUAREZ DIAZ
Presa de las tres
gargantas
Selección del sitio
JAIME SUAREZ DIAZ
EJEMPLO (Brasil)
Datos del embalse.
• Un análisis completo del área que se va a inundar.
• Plano topográfico, propiedad de la tierra, clasificación del terreno,
localización de vías y obras públicas de infraestructura y áreas que
se requiere adquirir.
• Disponbilidad de materiales para la construcción de la presa, mano
de obra, aspectos ambientales, sedimentación y seguridad.
Diferentes tipos de
terraplén para presas
Tipos de
presa
Características del sitio
Relieve (Topografía)
TALUD DE BAJA PENDIENTE
TALUD CON
GRADAS
TALUD
SEMIVERTICAL
Evitar los taludes laterales de
alta pendiente
CIMENTACION
• CAPACIDAD DE SOPORTE
• ESTABILIDAD GENERAL
• ASENTAMIENTOS
• FILTRACIONES
CIMENTACION
DEFINIR EL MATERIAL QUE SE VA A REMOVER PARA
GARANTIZAR CAPACIDAD DE SOPORTE SUFICIENTE,
ESTABILIDAD GENERAL Y ASENTAMIENTOS
ACEPTABLES
Diseño del terraplen de la presa
 Deben prepararse varias alternativas de seccion de presa
de acuerdo a los materiales disponibles
 Analizar la estabilidad, costos y conveniencia de cada
alternativa
 La decision final del tipo de presa se basa principalmente
en la experiencia y buen juicio
Elementos a
diseñar
 Tratamiento requerido de la cimentación
 Estabilidad de los estribos (laterales)
 Control de las Filtraciones de agua
 Estabilidad de los taludes de la presa
 Estabilidad de los taludes del embalse
 Habilidad de la represa para retener el agua embalsada
 Borde libre y vertederos suficientes para manejar situaciones extremas
ALINEAMIENTO DEL EJE DE LA PRESA
 PARA PRESAS LARGAS SE RECOMIENDA QUE SEA RECTO
 DEBEN EVITARSE LOS CAMBIOS FUERTES DE
ALINEAMIENTO PARA EVITAR CONCENTRACIONES DE
ESFUERZOS Y AGRIETAMIENTOS
 LAS PRESAS CORTAS Y ALTAS DEBEN SER CONVEXAS
HACIA AGUAS ARRIBA PARA QUE EL AGUA COMPRIMA LOS
NUCLEOS CONTRA LOS ESTRIBOS. EL RADIO DE
CURVATURA VARIA DE 300 A 1.000 METROS
Ancho de la cresta
El ancho mínimo es de 3.0 metros.
El US Corps of Engineers recomienda utilizar la
siguiente formula:
Cw = 0.4H + 1 (metros)
Donde H es la máxima altura de la presa
Siempre utilice el mayor ancho posible de cresta y la
menor pendiente del terraplén donde existan
cimentaciones o materiales poco confiables.
Para reducir la erosión, las crestas deben tener una
pendiente lateral de 2.5% hacia el talud aguas
arriba.
Asentamientos
Todas las presas se asientan un poco después de la construcción
y la cresta terminada debe estar en su punto central (de mayor
altura) a una cota superior que en las esquinas.
Materiales de
capas y filtros
• El material más fino se coloca y se compacta en la parte central del dique
para garantizar la impermeabilidad.
• El material más grueso se coloca cerca a los taludes para garantizar la
estabilidad.
• En la interfase entre materiales finos y gruesos deben diseñarse filtros en
forma cuiadosas. Los filtros permiten el paso del agua pero previenen el
paso de las partículas finas del núcleo.
Núcleo de materiales especiales
Núcleo de asfalto
Cimentación
• Debe tenerse cuidado de que el suelo de cimentación sea competente para soportar
la carga.
• En suelos blandos es importante distribuir la carga sobre una mayor área.
• Si los suelos blandos tienen poco espesor, se recomienda excavarlos.
• En lo posible debe cimentarse sobre roca.
Espolones
•
•
•
•
En ocasiones se construyen espolones (en zanjas excavadas) para garantizar el
contacto del núcleo con la roca.
La construcción de espolones evita la filtración de agua por debajo de la presa,
especialmente cuando hay materiales permeables encima de la roca.
Puede requerirse inyecciones en la fundación para garantizar la
impermeabilidad.
Debe tenerse especial cuidado con las presiones de inyección.
Estabilidad del terraplén
• El diseño del terraplén debe basarse en los suelos disponibles, su contenido de
agua y comportamiento de compactación.
• Deben retirarse los bloques grandes de roca que dificulten la compactación.
• Es imposible prevenir ciento por ciento la filtración de agua a través de la presa.
• La permeabilidad de los materiales determina la rata a la cual el agua atraviesa el
terraplén.
• Todo terraplén debe tener un núcleo impermeable.
• El espesor del núcleo depende del tipo de suelo y de la altura de agua.
Estabilidad del terraplén
• El núcleo impermeable debe tener al menos ¼ de la cabeza de agua.
• El ancho mínimo del núcleo es de 3 metros.
• Si la fundación es permeable, debe construirse un espolón impermeable.
• También pueden utilizarse colchones impermeables aguas arriba.
• En todos los casos debe haber un filtro o dren aguas abajo.
Estabilidad del terraplén
• Deben utilizarse taludes que por experiencia se haya encontrado que son estables en
el tipo de materiales a utilizar.
• Generalmente los taludes varían de 2H:1V a 3H:1V.
• En todos los casos debe realizarse análisis de estabilidad utilizando sistema de
equilibrio límite.
• Deben realizarse ensayos de laboratorio para determinar la resistencia de los
materiales compactados, la cual depende del contenido de agua y del tipo de
compactación utilizado.
Talud
escalonado
Subdrenaje y filtros
La filtración de agua es un problema potencial que
siempre debe tenerse en cuenta en el diseño.
Deben diseñarse filtros y drenes para controlar el agua
infiltrada.
Los pies de la presa deben diseñarse en tal forma que se
reduzcan los riesgos al mínimo.
Subdrenaje y filtros
Los filtros deben diseñarse en forma «cuidadosa».
Falla presa Algodoes- Brasil
Filtros versus Drenes
Históricamente los términos «filtro y dren» han tenido
diferentes significados por diferentes autores y esto ha
generado confusión.
El «filtro» provee retención y drenaje en las presas de tierra y
debe tener suficiente permeabilidad para actuar como un
«dren».
Como los materiales de «filtro» desarrollan ambas funciones,
deben tener capacidad para actuar como «dren». Por esta
razón, los términos «filtro o dren» pueden combinarse.
Esquema del
funcionamiento de un
filtro
El
suelo
fino
trata de fluir con
gradientes altos
y se acumula
junto al filtro.
A
medida
que
se
acumula mayor cantidad
de material, el gradiente
disminuye.
Finalmente se genera
un equilibrio en la
zona
de
contacto
suelo-filtro
Gradación de las partículas del filtro
El componente más importante del diseño de un filtro es la
gradación del tamaño de las partículas tanto del terraplén como
de los filtros.
Los filtros son una mezcla de materiales granulares similar a la
mezcla de los agregados para concretos, los cuales son mucho
más resistentes cuando poseen cantidades iguales de grava y
arena.
Un material con cantidades iguales de grava y arena, se le
conoce como material «bien gradado».
Gradación de las partículas del filtro
Aunque los suelos bien gradados son generalmente aceptables para su
uso como «filtros» no se puede concluir que son superiores a
materiales más uniformes conocidos como suelos pobremente
gradados.
Los suelos uniformes (pobremente gradados) pueden ser superiores
para drenes de pié que los suelos bien gradados, debido a su mayor
capacidad de drenaje.
Suelos ampliamente gradados y suelos estrechamente gradados
Para resolver la confusión se introducen términos más
genéricos para analizar la forma de la curva de gradación.
Las gradaciones que incluyen muchos tipos de suelo se
denominan como suelos «ampliamente gradados».
Las gradaciones que incluyen un solo tipo de suelo se les
denominan como suelos estrechamente gradados.
Los suelos estrechamente gradados son generalmente
uniformes en su distribución y se puede utilizar el término de
«suelo uniforme».
Estrechamente
gradado
Uniformemente
gradado
Pobremente
gradado
Extensamente
gradado
Ampliamente
gradado
Bien
gradado
Cuando se utiliza el sistema unificado de clasificación de suelos
(SUCS), la distinción entre suelos bien gradados y pobremente
gradados se realiza utilizando el coeficiente de uniformidad CU y el
coeficiente de curvatura CZ.
Cu = D60 / D10
Cz = Cc = D302/(D60 * D10)
Donde D60, D30 y D10 son los diámetros de partículas correspondientes
al 60%, 30% y 10% de pasantes en la curva granulométrica
acumulativa.
Otros términos para describir las gradaciones del suelo son:
- Suelos disparmente gradados o suelos con gradación a saltos.
En este tipo de gradación no aparecen suelos retenidos en un
determinado rango de tamices.
Estos suelos son internamente inestables y no deben utilizarse
para filtros.
En la siguiente gráfica se muestra una curva de un suelo
disparmente gradado.
Protección contra la erosión superficial
•
•
•
•
Los taludes de las presas deben tener protección contra
la erosión producto de la lluvia, de la erosión por oleaje
y de posible flujo por encima del dique.
El talud aguas arriba debe protegerse generalmente
utilizando enrocado o “rip-rap”.
La roca utilizada para “rip-rap” debe ser dura, densa y
durable para resistir la acción del oleaje y la
meteorización por un largo período.
El talud aguas abajo puede protegerse con vegetación o
con enrocado.
TALUDES RECOMENDADOS
JAIME SUAREZ DIAZ
RIP RAP
JAIME SUAREZ DIAZ
RIP RAP sobre
geotextil
JAIME SUAREZ DIAZ
Protección con suelo-cemento
Una alternativa es la protección con suelocemento compactado.
Proteccion con vegetación
JAIME SUAREZ DIAZ
Protección con geotextiles y bitumen
JAIME SUAREZ DIAZ
El talud aguas arriba requiere de una mejor protección que el talud aguas
abajo debido a la presencia de oleaje.
La sedimentación
Otras consideraciones importantes
 Clima y su efecto en la construccion
 Posibilidades de desvio del rio durante la construccion
 Utilizacion planeada del proyecto (sistema de llenado y
desembalse)
 Actividad sismica
 Efectos ambientales