Diseño de Presas de Tierra
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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