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LA ACCIÓN DEL AGUA EN LOS SUELOS

Ing. Roberto M. Flores [email protected]

Resumen . Se realiza un análisis conceptual de algunas de las acciones más importantes del agua sobre la estructura de los suelos. No se consideran las acciones debidas a la erosión externa ni las que ocurren en los suelos denominados colapsables. Se analizan: la acción y consecuencias de la sumergencia de los suelos; la acción del agua en los contactos suelo, aire y agua por el efecto de la capilaridad, el fenómeno conocido como de consolidación en el que los asentamientos producidos se desfasan en el tiempo conforme se disipan las presiones neutras y se plantea el desarrollo de las presiones de filtración generadas por el escurrimiento del agua a través de un medio poroso y sus consecuencias. Finalmente se presenta un caso histórico en el que las fuerzas de filtración produjeron el sifonaje de los materiales en la fundación, con la particularidad de no haber terminado con la ruina de la estructura. Palabras claves sifonaje, fuerzas de filtración, erosión interna.

Introducción Dentro de los materiales vinculados a la Ingeniería Civil, son los suelos, y por añadidura las rocas, materiales en los cuales influyen en el comportamiento las tres fases: sólido (las partículas y en los casos de suelos congelados el agua), líquido y gaseoso (en los que el agua cumple un papel relevante). Es un hecho conocido que la presencia del agua en los suelos modifica su comportamiento, pero muchas veces no se toma total conciencia del alcance de este concepto. En zonas como la provincia de Buenos Aires, con acciones sísmicas muy leves, es el agua en la mayor parte de los casos el desencadenante de incidentes y accidentes en las excavaciones, durante procesos constructivos, taludes naturales, obras hidráulicas y hasta

Fotografía N° 1 – Erosión externa genera colapso de una estructura hidráulica.


fundaciones de estructuras estables en condiciones de humedad estabilizadas. No se tratarán en profundidad en este caso dos acciones que son igualmente deletéreas para la estructura de los suelos como son la erosión externa por cursos de agua, un ejemplo de su acción sobre un suelos limoso con baja resistencia cohesiva se puede ver en la fotografía N° 1, y la acción que tiene sobre los denominados suelos colapsables presentes en el centro y norte del país, con una estructura metaestable que colapsa, ante su propio peso o por acciones externas, cuando el agua actúa sobre su incipiente cementación. Acciones del Agua sobre la estructura del suelo Con las excepciones citadas, la acción del agua modificando la estructura de los suelos puede sintetizarse en las siguientes cuatro acciones:

En todo tipo de suelos la presencia del agua modifica las presiones que se transmiten a través de los contactos entre partículas disminuyendo el peso sumergido de las mismas. De acuerdo al principio de Arquímedes, ver Figura N° 1, las partículas de suelo, cuando sumergidas en agua, reciben un empuje ascendente que se opone al campo gravitatorio y por tanto reduce su peso, igual al peso del volumen de agua desalojado.

En la Figura N° 2 (Ref. 1) se plantea esquemáticamente el equilibrio de fuerzas que ocurre en un medio poroso con vacíos ocupados enteramente por agua con presión neutra u. Q´ es la carga que se transmite a través de la estructura del suelo.

Figura N° 1 – Principio de Arquímedes.

Figura N° 2 – Equilibrio entre esfuerzos totales y efectivos (Q´ se transmite por la estructura del suelo representada por un resorte, Ref. 1).


Dividiendo por el área

K. Terzaghi hace una simplificación para la estructura del suelo diciendo que el área de vacíos es semejante al área total (contactos entre granos puntuales). Av ~ A, resulta entonces: Si es la presión que transmite el peso del suelo suprayacente saturado (o con un peso unitario similar) a una profundidad D:

= sat * D considerando que la presión neutra en un medio con agua sin movimiento será:

u = w * D la presión efectiva, que se transmite a través de los granos, y que es la responsable de causar deformaciones y eventualmente “rotura” de los suelos, será:

´ = sat * D - w * D = (sat - w) * D

Suele definirse un peso unitario sumergido como

´ = (sat - w) Si se incorporan valores aproximados de los pesos saturados y del agua se tendrá: 10 [KN/m3] ~ (20 - 10) [KN/m3] Una consecuencia inmediata de esta diferencia entre el peso sumergido y el húmedo es que cuando se deprimen los niveles de agua libre en un suelo, el peso efectivo sobre el suelo subyacente prácticamente se duplica con un efecto directo en los asentamientos que suelen ser de gran magnitud en suelos blandos. En la Figura N° 3 se esquematiza el volumen de suelo involucrado en la depresión del nivel para ejecución de una zanja, como por ejemplo para la colocación de un servicio. En este caso entre las líneas celestes de trazo continuo y discontinuo se produce una carga equivalente a la diferencia entre

Q = Q´ + u Av

Q/A = Q´/A + u (Av/A)

= ´ + u (Av/A)

= ´+ u ´ = - u

Figura N° 3 – Comparación entre el volumen de suelo afectado por la carga de una estructura y por la depresión del nivel freático.


peso saturado y sumergido (aproximadamente 1 t/m3) que impacta sobre el suelo ubicado bajo la línea punteada. A la izquierda se ha ejemplificado la zona de afectación que puede producir una zapata de una construcción de una planta. Los mayores volúmenes afectados por el descenso del nivel freático tienen una directa relación con los mayores asentamientos que esto provoca. De allí que en sectores de suelos blandos, como pueden ser los existentes en las localidades vecinas de Ensenada y Berisso, los trabajos de depresión de la napa sean críticos generando movimientos y fisuración sobre las construcciones significativamente mayores que las originadas en las propias cargas de las estructuras.

En especial en suelos finos es parte fundamental en el comportamiento de la estructura del suelo actuando directamente en los contactos entre partículas.

En la Figura N°4 (Ref. 2) se muestra esquemáticamente la disposición del agua en la estructura de suelos con materiales finos (designándose así a aquellas partículas menores que 74 ). Nos focalizaremos en los sectores demarcados con los números de 8 a 10. El agua se ubica en distintos sectores de un perfil de suelos. Si se hace una perforación, como la indicada con el número 1, el agua se estabilizará en un nivel como el superior de la zona 10 al que se llama nivel freático. En esa superficie el agua estará a presión atmosférica. Como se esquematiza, por sobre ese nivel habrá también agua pero estará afectada por otras fuerzas, además de la de gravedad que la mantendrán por sobre el nivel de equilibrio con la presión atmosférica. En la denominada zona 8, de Capilaridad Abierta, los vacíos estarán parcialmente llenos de agua atrapada por fuerzas capilares, es decir, el agua no bajará hacia la perforación “colgándose” por tracción de las partículas de suelo ubicadas sobre el nivel freático confiriéndoles lo que se conoce como cohesión aparente. En la mayor parte de la literatura esto se conoce como ascensión capilar y es el conocido fenómeno que se experimenta en los laboratorios de física mostrando el

Figura N° 4 – 8 – Zona de Capilaridad Abierta, 9 – Zona de Capilaridad Cerrada, 10 – Bajo nivel freático.


ascenso del agua en un capilar de pequeño diámetro y que se ejemplifica en la Figura N° 5 (Ref. 3). El agua asciende hasta una altura hc que dependerá de las características del líquido y las paredes del capilar y puede interpretarse con la expresión:

hc = 4 T cos /

w d

donde hc es la altura que alcanza el agua en el capilar, T un factor que depende de los materiales, el ángulo que forma el menisco, w el peso unitario del agua y d el diámetro del capilar. A la derecha de la Figura N° 5 se representa el estado de tensiones en el agua, negativo porque es de tracción. Ese mismo estado es el que confiere a las partículas del suelo una cohesión denominada aparente. Volviendo a la Figura N° 4, la zona indicada con el número 9 corresponde a la denominada zona de

capilaridad cerrada, cuando por acción de las fuerzas capilares todos los vacíos se encuentran saturados de agua. Algunos autores cuestionan que se pueda alcanzar la saturación por capilaridad. No obstante, a los efectos de la Ingeniería Civil, esta discusión tiene poca significación. La acción de generación de presiones efectivas, que se transmiten entre las partículas de suelos a partir de procesos de succión del agua en los poros, es dramáticamente significativa en suelos parcialmente saturados. La succión, medida en altura de columna de agua puede ser tan elevada que se define como un potencial de succión (pF) según la siguiente expresión, midiendo hc en [cm]:

pF = log10

* hc

En la Figura N° 6 (Ref. 4), se muestra el resultado de mediciones del potencial de succión en el laboratorio. Nótese que por ejemplo valores de pF = 6 corresponden a alturas de succión de 106 [cm] = 104 [m]. Es difícil imaginar el efecto que la succión tiene entre los granos del suelo, aplica en este caso tensiones de tracción equivalentes a esa altura de columna de agua. En la Figura N° 7 (Ref. 3) se muestran valores del pF vinculados a las condiciones de humedad del ambiente.

Figura N° 5 – El experimento de la ascensión capilar.


Los efectos del secado de los suelos están asociados a procesos de pre – consolidación, que los someten a cargas mucho mayores que las que corresponden al peso del suelo depositado sobre los mismos, comúnmente denominados pesos litostáticos o “de tapada”. Esta preconsolidación tiene efectos importantes en el comportamiento de las estructuras de los suelos. Materiales con resistencia friccional, como las arenas y las gravas, sin la resistencia a la tracción que le confiere la cohesión, logran su equilibrio en lo que se llama el talud con ángulo de reposo coincidiendo con el ángulo de fricción. La Figura N° 8 ejemplifica este concepto.

Figura N° 7 – Valores indicativos de succión suelo/aire. (Referencia N° 3).

Figura N° 6 – Medición del Potencial de Succión (pF) en un suelo con contenido de humedad variable. (Referencia N° 4).


En las Fotografías N° 2 a 4 se muestran taludes prácticamente verticales que sólo pueden ser explicados si se acepta la acción de una resistencia a tracción conferida por el efecto de la cohesión o una eventual cementación.

Fotografía N° 2 – Talud vertical en materiales friccionales.

Figura N° 8 – Ángulo de reposo, gobernado en materiales sin cohesión por el ángulo de fricción interna

Fotografía N° 3 – Talud vertical en materiales friccionales.

Fotografía N° 4 – Talud vertical en una cantera de “tosca”.


La Fotografía N° 4 muestra un corte vertical en una cantera de lo que en general, regionalmente llamamos “tosca”. En este caso actúa la preconsolidación por el efecto de desecación durante períodos prolongados y cementación.

La Fotografía N° 5 muestra un ejemplo clásico de la acción de las fuerzas capilares confiriendo resistencia a la tracción a materiales friccionales (básica- mente incoherentes), en este caso arenas de playa. La Figura N° 9 (Ref. 5) muestra esquemática-mente la zona donde se desarrolla buena capa-cidad portante a partir de

la acción de las fuerzas capilares.

Fotografía N° 5 – Antigua pista de carreras en la playa de Daytona.

Figura N° 9 – Sección esquemática en la playa de Daytona donde se tiene una buena capacidad portante en la zona de capilaridad (hc) (Referencia N° 5)


En suelos finos ante la presencia de cargas externas modifican el estado de tensiones efectivas que se transmiten en los contactos entre partículas variando con el tiempo. Este proceso que se conoce como de consolidación. En esta presentación sólo se plantea un análisis conceptual del fenómeno. La teoría que la interpreta ha sido desarrollada por K. Terzaghi, El modelo de análisis fue inicialmente desarrollado a partir de un comportamiento unidimensional que implica una complejidad matemática menor. El desarrollo de modelos numéricos más potentes permite en la actualidad un análisis considerando efectos tridimensionales. La Figura N° 10 (Ref. 3) sintetiza la analogía del sistema. La estructura del suelo, ejemplificada por los resortes, resulta mucho más deformable que el agua que llena

los poros del suelo. Aplicada la carga con velocidad tal que, dada la baja permeabilidad del suelo no deja tiempo a que el agua drene, inicialmente toda la carga

será tomada por la presión neutra que se genere en ella. Con el paso del tiempo el volumen de agua disminuirá porque será expulsada por la mayor presión desarrollada. En este momento el resorte, es decir la estructura del suelo, comenzará a tomar carga reduciendo la presión en el agua y

haciendo que haya una tendencia asintótica a la estabilización con el tiempo de las deformaciones, tal como se esquematiza en la Figura N° 11.

Este comportamiento tiene incidencia negativa en la interacción con las estructuras de hormigón como losas de aproximación, estructuras enterradas, pilotes, etc.

Figura N° 10 – Consolidación Unidimensional, (a) Modelo de Terzaghi, (b) Curva Esfuerzo Vs Tiempo (Referencia N° 3).

Figura N° 11 – Asentamientos en función del tiempo en suelos sin cohesión (mayor permeabilidad) y en arcillas (con baja permeabilidad).


Cuando tiene una diferencia de potencial tal que la hace circular a través de los poros del suelo o las fisuras de los macizos rocosos genera presiones de filtración que modifican el estado de tensiones efectivas y pueden originar erosión interna.

La circulación de agua a través de un medio poroso puede interpretarse, para un flujo en régimen permanente en un medio isótropo, por la ecuación de Laplace:

Esta ecuación diferencial, conocida en distintas ramas de la ingeniería, tiene como solución dos familias de curvas = cte y = cte que en su conjunto conforman lo que se conoce como una red de flujo o escurrimiento. En las curvas = cte los valores de h son constantes y las curvas = cte son las trayectorias de las partículas en el escurrimiento. En la Figura N° 12 (Ref. 6) se muestra el resultado de la resolución de esta ecuación en un caso elemental.

El trazado de las redes de flujo se realiza mediante el uso de modelos numéricos resueltos por elementos o diferencias finitas. Sin embargo las redes de flujo pueden trazarse manualmente siguiendo algunas reglas y fijando las condiciones de borde

Línea de saturación

Figura N° 12 – Red de escurrimientos para un caso elemental (Referencia N° 6).


que resultan igualmente necesarias para la resolución numérica. En la Figura N° 12 se muestra el caso de una red de flujo a través de una presa homogénea con filtro al pie sobre una base impermeable. Las dos líneas verdes punteadas corresponden a equipotenciales ya que en todos sus puntos el nivel de energía h = z + u/w llegan al mismo nivel. En una el nivel del embalse de aguas arriba y en la otra el nivel de agua libre aguas abajo. La línea azul a trazos inferior corresponde a una línea de flujo límite del escurrimiento ya que es un borde impermeable. El otro borde que actúa como si fuera impermeable (indicado con una flecha azul) corresponde a la línea de saturación, cuyo trazado es independiente y tiene la particularidad que en todos sus puntos se tiene presión atmosférica. El trazado de la red sigue ciertas pautas:

-Las equipotenciales y líneas de corriente son normales y a las equipotenciales se las suele representar a intervalos de energía constantes. - Las líneas de corriente o flujo son las trayectorias por lo que las velocidades son tangentes por lo que limitan tubos de corriente por los que circulan caudales constantes. En la red se trazan líneas de flujo de manera que el gasto que pase entre cada dos de ellas sea el mismo. - El trazado se hace de manera que dos equipotenciales y dos líneas de flujo consecutivas deben estar igualmente distanciadas (los elementos formados deben poder inscribir una circunsferencia). - Las equipotenciales sucesivas deben cortar a la línea de saturación a diferencias de nivel H/n iguales (siendo n el número de equipotenciales). En ellas es constante la suma z+u/w y en la línea de saturación el valor de u es nulo por lo que los puntos de la equipotencial en la intersección con la línea de saturación tienen como energía solamente la de posición z. Dado que las equipotenciales están a intervalos constantes sobre la línea de saturación la distancia vertical entre ellas es constante.

Las redes de escurrimiento permiten tener una visión del flujo y obtener información sobre la acción que el mismo tendrá sobre la estructura del suelo. Básicamente permiten estimar caudales de filtración y observar las presiones neutras y los gradientes de filtración (i = h / l) en cada punto de la masa del suelo. El conocimiento de las presiones neutras es imprescindible para evaluar la estabilidad, tanto de la masa de un suelo, por ejemplo en un talud, como de estructuras civiles afectadas por fuerzas de subpresión. Asociado a las presiones neutras distribuidas en la masa de un suelo las redes de escurrimiento permiten evaluar el desarrollo de los gradientes de filtración con influencia sobre la estabilidad interna de la estructura del suelo. Cuando el agua escurre a través de una masa de suelos su efecto no se limita a la presión hidrostática sino que ejerce una presión hidrodinámica que se traduce en una presión efectiva sobre las partículas en la dirección del flujo y con resultante tangente


a las líneas de corriente. Si se considera un elemento de la red de flujo como el de la Figura N° 13 (Ref. 7), la presión hidrodinámica que ejerce el agua sobre el área A (por unidad de ancho) resulta: pD = h w ya que la pérdida de carga fue trasmitida al suelo por viscosidad. Esta presión produce un empuje hidrodiná-mico que es:

J = h w A Es común expresar a esta fuerza por unidad de volumen, teniéndose entonces para el cuadrado considerado:

j = J / (A L) j = (h w A) / (A L) j = w i [KN/m3]

Es decir, la fuerza de filtración por unidad

de volumen es directamente proporcional al gradiente en cada punto. Es una fuerza que con la intensidad del gradiente i se manifiesta por unidad de volumen, tal como la fuerza de masa que genera la gravedad, en la dirección del escurrimiento y es transferida a la estructura del suelo como una presión efectiva, que genera deformaciones y hasta puede llevar a la rotura. En la Figura N° 14 (Ref. 1) se esquematiza el efecto de los gradientes de salida elevados, que es donde resultan más nocivos. Si a la salida de un escurrimiento, por ejemplo debajo de una obra se produce un gradiente que genera una fuerza de filtración que supera la resistencia del suelo se producirá el arrastre de partículas.

Figura N° 13 – Fuerzas de Filtración (Referencia N° 7).

Figura N° 14 – Gradientes de salida elevados pueden producir erosión retrógrada (Referencia N° 1).


Tal como se muestra en la parte b. de la Figura N° 14 este arrastre generará un hueco que aumentará el gradiente (porque acorta la longitud de escurrimiento con pérdida de carga) y por lo tanto aumentará la fuerza de filtración y también el arrastre. Se producirá lo que se denomina erosión retrógrada que es el motivo de la mayor parte de los colapsos en obras hidráulicas debidos a fallas en el suelo. El concepto de las fuerzas de filtración y su acción sobre los suelos a veces no es tenido adecuadamente en cuenta. Es un ejemplo el tratamiento que, en general desde la docencia, se da al análisis del equilibrio de un tablestacado. La Figura N° 15 (Ref. 8) muestra uno de los esquemas posible de distribución de tensiones en el equilibrio de un tablestacado. Distintos esquemas que pueden plantearse toman, en todos los casos, una resistencia pasiva en el lado de la cara libre. Esta resistencia es función del peso efectivo del suelo en toda la profundidad d.

Por otra parte es un clásico el ejercicio que la mayor parte de los alumnos en el curso de Geotecnia resuelven al analizar la posibilidad de sifonaje al pie de este tablestacado.

Figura N° 15 – Presiones desarrolladas en el equilibrio de un tablestacado (Referencia N° 8).

Figura N° 16 – Análisis de la seguridad al sifonaje (Referencia N° 9).


En la Figura N° 16 (Ref. 9) se muestra una forma de solución de este problema propuesta por K. Terzaghi. Con el equilibrio de estas fuerzas se determina el factor de seguridad ante el levantamiento del fondo. No siempre se vinculan ambos ejercicios de cálculo. Si se hiciera la conclusión sería que antes que se produzca el sifonaje seguramente el tablestacado colapsará porque el peso efectivo del suelo al pie del mismo disminuirá con motivo de la generación de fuerzas de filtración ascendentes y el empuje pasivo no tendrá la magnitud calculada como se esquematiza en la Figura N° 15.

Un caso de sifonaje bajo una obra de hormigón Durante los trabajos reparación y refuncionalización del Dique Derivador Los Molinos, llevados a cabo en el marco de un contrato del Ministerio de Planificación Federal Inversión Pública y Servicios, Proyecto de Infraestructura Hídrica, Programa de Desarrollo de las Provincias del Norte Grande, ejecutados por el consorcio de empresas Benito Roggio e Hijos S.A y José Cartellone Construcciones Civiles S.A. – UTE y la inspección de la firma HCA Consultora SRL, se detectaron fallas y deterioros en las estructuras y su fundación que superaron el alcance de las previsiones originales. Estas consistían básicamente en la reparación de los efectos de la erosión superficial causada sobre los paramentos y losas del Dique, en gran parte por la actividad de la carga sólida de un curso de agua de alta pendiente y por tanto gran capacidad de arrastre. El Dique los Molinos se encuentra sobre el río Grande unos Km aguas arriba de San Salvador de Jujuy, 1 Km aguas abajo de la confluencia con el río Reyes.

Fotografía N° 6 – Ubicación de las obras. (Google Earth).


En la Fotografía N° 6 (Google Earth) de la época anterior a la reparación se observa la disposición de las obras. Aguas abajo del dique, en zona de descarga del denominado dique fijo, se observa vegetación que evidencia lo esporádico de las crecidas por ese sector. La Figura N° 17 (Ref. 10) muestra esquemáticamente a las obras. El dique permite derivar un caudal de hasta 25 m3/s hacia el Dique Las Maderas. Consta de un cierre de materiales sueltos, un Dique denominado Móvil (con compuertas radiales), otro fijo (con labio vertedor) y un canal moderador para dejar pasar caudal hacia aguas abajo.

En la Fotografía N° 7, ya de la etapa de obra, permite observar la naturaleza y volumen de sedimentos compuestos por arenas, gravas y bloques, que acarrea el curso. La Fotografía N° 8 muestra que por el manejo del flujo a través de las compuertas del Dique Móvil se genera acumulación de bancos de sedimentos finos compuestos sólo por arenas finas y limos.

La intercalación de un dique que altera el equilibrio natural de los sedimentos en un cauce con un importante fondo móvil genera un proceso de erosión y acumulación drástico. En la Figura N° 18 (Ref. 10) se ejemplifica este proceso.

Fotografía N° 7 – Canal Moderador. Fotografía N° 8 – Sector del Dique Móvil.

Figura N° 17 – Disposición de las Obras (Referencia N° 10).


Figura N° 18 – Proceso de interrupción del equilibrio natural en el río (Referencia N° 10). La Fotografía N° 9 es una vista desde aguas abajo. Se aprecia el escalón erosivo, también parte de las obras de control que se han realizado con anterioridad consistentes en «cajones» de hormigón rellenos con gravas y bloques que se han roto parcialmente (a la izquierda ya no están visibles).

Fotografía N° 9 – Vista del proceso erosivo desde aguas abajo.


La erosión al pie de aguas abajo modificó el nivel de restitución en el río, el que se retiró hacia aguas abajo. Este hecho tuvo una primera consecuencia en el funcionamiento hidráulico de la obra de disipación. En la Figura N° 19 se muestra la obra de disipación en el sector del dique móvil. Se trata de un descargador de tipo Gandolfo Cotta que tienen como particularidad dos niveles de descarga. Su funcionamiento es ahogado por lo que el hecho que el nivel de restitución se haya retirado hacia aguas abajo generó su funcionamiento deficiente.

Figura N° 19 – Estructura de disipación existente. Los trabajos de reparación estaban orientados a los recubrimientos y roturas locales como las que se ven en las Fotografías N° 10 y 11.

Fotografías N° 10 y 11 – Vista de los sectores a reparar incluidos en el contrato.


Al comenzar los trabajos de destape y limpieza, previos a la reparación, se encontraron deficiencias mayores que permanecían cubiertas por el mismo material de acarreo. En las Fotografías N° 12 y 13 se observa el resultado de la erosión en la zona del cuenco. Los dientes superiores literalmente se han cortado por el proceso erosivo.

Fotografías N° 12 y 13 – Vista de la erosión en el cuenco disipador del dique móvil. Dada la conformación de la erosión aguas abajo se realiza un nuevo diseño del disipador, el contrato prevé la colocación de un muro colado que evite la erosión retrógrada al pie del dique. En la Figura N° 20 se muestra este diseño en la zona del Dique Móvil.

Figura N° 20 – Nueva estructura de discipación. Para la nueva condición se realizaron análisis de estabilidad para distintas condiciones de socavación la que fue estudiada en un modelo físico en la FCEFyN de la Universidad de Nacional de Córdoba para evaluar el desarrollo de la erosión al pie de la obra. Los análisis de estabilidad incluyeron la filtración a través de la fundación. En la Figura N° 21 se muestra la red de escurrimiento obtenida por el grupo de proyecto de la UTE Contratista. Los


gradientes de filtración fueron aceptables. Se analizó especialmente la influencia que la colocación del muro colado tendría sobre el incremento de la subpresión bajo la presa. Finalmente el diseño se optimizó separando el muro colado de la estructura. Como se verá a continuación los trabajos de excavación permitieron evaluar la acción que la subpresión había tenido en la obra existente.

Figura N° 21 – Red de escurrimiento para la obra proyectada. Cuando empezaron los trabajos de construcción se observó la verdadera magnitud de los daños sobre las estructuras. En la Fotografía N° 14 nótese cómo la parte «alta» de la rápida fue literalmente «cortada» por la erosión por el flujo de agua y la carga sólida.

Fotografía N° 14 – Daños en la estructura de discipación.

FD

A B G H

CE

I J


La losa en la parte baja de la rápida también fue totalmente erosionada. Al excavarse hasta este nivel comenzó a salir gran cantidad de agua con arrastre del material arena fina (enlames), La Fotografía N° 15 muestra esta situación y cómo se ha intentado cubrir con material filtrante para “controlar” esa afluencia de material. Llamó la atención el tipo de material afluente, no coincidente con el de la fundación de la obra.

Fotografía N° 15 – Al excavar la zona erosionada del cuenco comenzó gran afluencia de material fino. Tres de los cuatro vanos del Dique Móvil mostraron daños similares, descubriéndose oquedades debajo de la fundación. Para controlar el ingreso de agua se ejecutó una ataguía de materiales suelos aguas arriba del dique. Ver Fotografías 16 y 17.

Fotografías N° 16 y 17 – Descubrimiento de oquedades bajo la fundación de 3 de los 4 vanos.


En el esquema de la Figura N° 22 se muestran las erosiones ocurridas en la estructura de hormigón. Obviamente que en esta situación se acortaron las longitudes de líneas de corriente debajo de la fundación aumentando los gradientes y por tanto las fuerzas de filtración.

Figura N° 22 – Esquema de la situación encontrada al destapar la zona del cuenco. Este incremento de los gradientes de filtración se aprecia claramente en la red de escurrimiento que puede trazarse para esta situación y se muestra en la Figura N° 23.

Figura N° 23 – La rotura del cuenco genera un nuevo incremento en los gradientes de filtración.


Otra forma tradicional de ver los gradientes en la fundación asociado al riesgo de sifonaje es a través de la denominada Ley de Lane. La misma se plantea en la Figura N° 24. Se define una longitud de contacto entre el suelo y la estructura necesaria para tener una seguridad adecuada con un coeficiente que depende del tipo de suelos. A las longitudes horizontales y verticales se les asigna distinto peso dada la, en general anisotropía de los depósitos fluviales.

Figura N° 24 – Aplicación de la Ley de Lane. Se puede comprender fácilmente que, siendo H el desnivel entre aguas arriba y abajo la Ley de Lane es una forma de evaluar el gradiente de filtración medio a través de la fundación. En la Figura N° 24 se ve que en la situación original la longitud de contacto era la adecuada, con una seguridad del orden de dos. Cuando el nivel de restitución se retira la longitud disponible es apenas la necesaria y en el momento en el que se “corta” el cuenco disipador por erosión, la longitud del escurrimiento es la mitad de la necesaria por lo que se está en condiciones de que se produzca el sifonaje de la fundación. Cuando se pudo acceder bajo la fundación del Dique se constató que la erosión fue generalizada y continua desde el diente de aguas arriba hasta la zona del cuenco erosionada. En las Fotografías N° 18 y 19 se logra apreciar la magnitud de las oquedades.

Fotografías N° 18 y 19 – Acceso a las oquedades bajo el Dique Móvil.


En la Fotografía N° 18 se observa el hormigón ciclópeo que forma parte del cuerpo del dique. Las Figuras N° 25 y 26 esquematizan el relevamiento de la cavidad. En la primera, en planta, se muestra la extensión de la cavidad en la dirección del eje del dique.

Figura N° 25 – Sector afectado por la cavidad. En la Figura N° 26 se muestra en un corte la disposición de la cavidad y el material limoso de relleno que accedió desde la zona del embalse y se extiende hasta el diente de aguas arriba. El paso de la onda de crecida con caudales decrecientes aportó ese material más fino que finalmente quedó atrapado bajo el dique. No se pudo determinar si este proceso de erosión y y posterior relleno se produjo en varios ciclos de crecida. Sí se escucharon relatos sobre vibraciones excesivas en los pasos de las crecidas.

Figura N° 26 – Relevamiento de la cavidad. Se muestra el volumen de material limoso.

48 m de cavidad en la direcció8 m de ca


Después de los trabajos de destape y relevamiento se pudo comprender el fenómeno ocurrido y explicar la afluencia de los materiales finos cuando se empezaron las excavaciones y que vuelve a mostrarse en la Fotografía N° 20. Se insiste en la misma con la observación de la agresividad del proceso erosivo de los flujos de agua y piedras que pasaron sucesivamente por el perfil vertedor y cortaron los dientes de hormigón del cuenco disipador. La solución consistió en el llenado de la cavidad mediante el bombeo de hormigón para lo cual se generaron recintos limitados con hormigón embolsado. Se procedió al retiro del material limoso y arenoso fino, con ayuda de chorros de agua. El consumo de hormigón H 21 fue de 590 m3, y de 92 t de cemento para la inyección del contacto con relación a/c = 0,5 y el uso de un aditivo expansor. Las Fotografías N° 21 y 22 muestran lo ejecutado.

La reparación y refuncionalización del Dique Los Molinos ha permitido descubrir un hecho no común en la Ingeniería de Presas y hasta difícil de explicar. Se ha producido sifonaje de materiales aluvionales gruesos, compuestos de gravas y arenas y una obra de hormigón simple ha quedado “suspendida” con una cavidad de casi 50 m en la dirección del eje y en todo su ancho y ha seguido funcionando. El auto enmascaramiento del sifonaje, por el depósito del material más fino cuando se reducía el pico de la crecida ha hecho que muy probablemente la obra ha soportado situaciones similares de pasaje de crecidas por sobre y bajo la misma en más de una oportunidad. Del incidente relatado pueden sacarse dos conclusiones que deberían ser tenidas en cuenta en el tratamiento de nuestras obras.

Fotografía N° 20 – Salida de material fino al destapar las cavidades.

Fotografías N° 21 y 22 – Trabajos de reparación.


La palabra mantenimiento debe ser incorporada definitivamente a la jerga usual de nuestras obras, en este caso la refuncionalización ha permitido la observación de lo ocurrido, pero un adecuado manejo de los sedimentos hubiera permitido tratar de evitar el sifonaje. Se debe destacar el compromiso frente a la estabilidad en el que estaba el dique ante una nueva crecida y la celeridad con la que se dio solución a una situación imprevista en la documentación contractual.

Referencias Bibliográficas

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