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LISTA DE ABREBIATURAS
F : fuerza.
H : altura
N : porosidad o relación de vacíos.
N° : numero
V : volumen
W1 : fuerza vertical (hidrodinámica)
W2 : vector tangente
ɣw : peso específico del agua.
J : gradiente hidráulico.
y : altura de presiones.
H : perdida de carga.
S : longuitud del tramo analisado
INDICE DE FIGURAS
Figura 1: P representa el diafragma referido..............................................................................................4
Figura 2: diafragma interno en una presa de tierra....................................................................................4
Figura 3: filtro aguas abajo en una presa de tierra homogénea.................................................................5
Figura 4: detalle de sección de una presa compuesta................................................................................6
Figura 5: dique sobre una capa de material impermeable que yace sobre un permeable..........................9
Figura 6: Erosión interna..........................................................................................................................10
Figura 7: Dique sobre una capa de Material permeable Ebullición de arena............................................10
Figura 8: Dique con diafragma de concreto que intercepta el material permeable..................................11
Figura 9: Esquema de las fuerzas filtrantes que actúan sobre las fracciones del suelo.............................11
Figura 10: Esquema del fenómeno de erosión interna.............................................................................12
Figura 11: Flujo confinado bajo la cimentación de una presa de hormigón, ( Marsal y Rsendiz, 1975.....14
Figura 12: Flujo no confinado a través de una presa, (Marsal y Resendiz Nuñez,·1975)
..................................................................................................................................................................15
Figura 13: Condición de intersección de las equipotenciales con la línea superior de
flujo, (Marsal y Resendiz Nuñez,·1975).......................................................................................16
Figura 14: Condiciones de entrada y de salida de la línea superior de flujo,
(Casagrande, 1925- 1940)..............................................................................................................17
INDICE
INTRODUCCION--------------------------------------------------------------------------------------------- 1
OBJETIVOS-------------------------------------------------------------------------------------------------- 2
MARCO TEORICO------------------------------------------------------------------------------------------ 3
PRESAS DE TIERRA.-----------------------------------------------------------------------------------------------3
TIPOS DE PRESAS DE TIERRAS---------------------------------------------------------------------------------3
Presas del tipo de diafragma:------------------------------------------------------------------------------------3
Presas de material homogéneo:--------------------------------------------------------------------------------4
Presas de tierra de sección compuesta.-----------------------------------------------------------------------5
CARACTERÍSTICAS.------------------------------------------------------------------------------------------------6
Característica en el diseño.---------------------------------------------------------------------------------------6
Altura de la presa.--------------------------------------------------------------------------------------------------6
Anchura de la corona.----------------------------------------------------------------------------------------------6
Taludes.----------------------------------------------------------------------------------------------------------------7
INFILTRACIÓN EN PRESAS------------------------------------------------------------------------------8
Teoría de la Infiltración------------------------------------------------------------------------------------------8
FENOMENOS DE FILTRACION----------------------------------------------------------------------------------8
EXPLICACION FISICA DE LAS FUERZAS FILTRANTES EN SUELOS-------------------------------------11
SUELOS PROPENSOS A LA EROSION INTERNA---------------------------------------------------------------13
INFORMACION BASICA PARA EL ANÁLISIS DE LA EROSION INTERNA-------------------------13
CONDICIONES DE FRONTERA---------------------------------------------------------------------------------14
a) Frontera suelo infiltrado-----------------------------------------------------------------------------------------14
b) Frontera agua-suelo infiltrado.--------------------------------------------------------------------------------15
c) Frontera suelo infiltrado-suelo permeable no infiltrado (línea superior de flujo).----------------15
d) Frontera suelo infiltrado-aire (línea de descarga libre).-------------------------------------------------17
Conclusiones y Recomendaciones--------------------------------------------------------------------------19
BIBLIOGRAFÍA----------------------------------------------------------------------------------------------------20
INTRODUCCION
Al diseñar, construir y analizar el comportamiento de una presa se debe
considerar que ella y su cimentación forman una unidad estructural, hasta el extremo que
una presa es segura, si lo es también su cimentación.
Los suelos para apoyar o cimentar una Presa, en raras ocasiones presentan la calidad
y características necesarias para satisfacer los requisitos exigidos, de resistencia,
estabilidad e impermeabilidad adecuados. Será pues necesario mejorar sus
condiciones naturales.
En terreno potencialmente erosionable lo esencial es el control de las filtraciones,
control orientado a reducir su caudal, su gradiente y proteger su salida aguas abajo
mediante dispositivos adecuados.
La infiltración en las presas de material suelto se da principalmente: a) en el propio
cuerpo de la presa, y b) en la cimentación.
En cuanto al agua infiltrada a través del cuerpo de la presa o de su cimiento produce
los siguientes efectos: Uno directo, de pérdida de agua, que suele ser el menos
importante y más fácil de controlar o subsanar, y un estado de presiones internas con
componentes opuestas al efecto estabilizador del peso. Además, al estar mojados los
materiales, disminuye su cohesión y su resistencia al rozamiento, añadiéndose estos
efectos al de las componentes desestabilizadoras de las presiones internas. Además
el paso del agua a través de las zonas con materiales finos tiende a arrastrar esas
partículas, con el consiguiente peligro de erosión interna progresiva. Este fenómeno se
llama sifonamiento.
De los tres efectos, el último es el más peligroso, porque afecta directamente a la
integridad misma de la presa. El sifonamiento es, después del vertido sobre la presa,
la causa más importante de accidentes o roturas de este tipo de presas. Además, es el
más difícil de controlar de los tres enunciados.
Los cimientos en roca, en general, no presentan ningún problema de resistencia para
presas pequeñas. Los peligros principales que hay que tener en cuenta son los
debidos a la erosión por filtración y la excesiva pérdida de agua a través de las juntas,
fisuras, grietas, estratos permeables y planos de fractura.
1
OBJETIVOS
Conocer las diversas formas geométricas, el material, y los fenómenos de
infiltración que ocurren en una presa de tierra.
Caracterizar el problema de erosión interna por infiltración interna en presas,
aplicando los conocimientos obtenidos en clase.
Determinar los fenómenos que experimenta el flujo de agua a través de una
presa de tierra como son: fuerzas de filtración, presión de poros, etc.
2
MARCO TEORICO
PRESAS DE TIERRA.
Las presas de tierra constituyen el tipo de presas más común, esto se debe a que en
su construcción intervienen materiales en su estado natural, que requieren el mínimo
de tratamiento, resultando económico desde el punto de vista constructivo. Además,
los requisitos para sus cimentaciones son menos exigentes que para los otros tipos.
El proyecto de una presa de tierra debe ajustarse a la realidad, teniendo en cuenta en
primer lugar las condiciones del sitio donde va a ser construida junto con los
materiales de construcción de la zona, y en segundo lugar que en muchos casos los
proyectos son copiados de alguno que tuvo éxito pero en otra zona con condiciones
totalmente diferentes, ocasionando una mala concepción del proyecto, pudiendo
provocar el colapso de la misma ya en funcionamiento, lo que ocasionaría un desastre
en la zona.
TIPOS DE PRESAS DE TIERRAS
El material de los bancos de préstamo y el aprovechable de las excavaciones de las
demás estructuras se utiliza en la construcción del terraplén, transportado al lugar de
construcción para luego ser extendido y puesto en su óptima humedad con
motoniveladoras, para formar capas de espesor reducido que luego se compactan
mecánicamente por medio de rodillos uniéndose a las anteriores.
Los tipos de presa compactada con rodillo son las siguientes:
Presas del tipo de diafragma:
3
En este tipo de sección el cuerpo del terraplén se construye de material permeable (arena,
grava o roca) y se construye un diafragma delgado de material impermeable para que
constituya la barrera hidráulica al terraplén
Figura 2: diafragma interno en una presa de tierra
Presas de material homogéneo:
Este tipo de presas están compuestas de un solo tipo de material (excluyendo la
protección de los taludes). El material que constituye la presa debe ser
suficientemente permeable para formar una barrera efectiva para el agua, y para
estabilidad, los taludes deben ser relativamente tendidos. Las presas homogéneas son
aplicables en las localidades en donde hay factibilidad para obtener suelo con poca
variación en su permeabilidad y en donde los suelos de permeabilidades más bajas se
pueden obtener sólo en pequeñas cantidades o los bancos de préstamo se encuentran
lejos de la zona del proyecto, encareciendo sustancialmente el proyecto debido al
acarreo de éstos.
4
La posición de este diafragma puede
variar, desde estar ubicado sobre el talud
aguas arriba, que es lo más usual, hasta
en el núcleo del terraplén. Este diafragma
puede ser de tierra, de concreto o de otro
material. Un ejemplo se muestra en la
figura 1, donde P representa el diafragma
referido.
Si la pantalla o núcleo es de tierra, se
considera que es un “diafragma” si su
espesor en sentido horizontal a cualquier
altura es menor de 3 metros o menor que
la distancia a la corona de la presa en
ese punto. Si la zona de tierra
impermeable es igual o excede a este
espesor, se dice que es una presa de
sección compuesta. En la figura 2 se
presenta una presa con diafragma
interno.
Figura 1: P representa el diafragma referido
Para evitar la licuación, se recomienda que el talud aguas arriba debe ser
relativamente tendido, esto si se prevén rápidos desembalses del vaso después de un
largo almacenamiento.
Figura 3: filtro aguas abajo en una presa de tierra homogénea.
Presas de tierra de sección compuesta.
Esta clase de sección constituye el tipo más común de presas de tierra compactadas,
el cual consta de un núcleo central impermeable, de un ancho horizontal mayor a
cualquier elevación no menor de 3 metros, confinado por zonas de materiales
considerablemente más permeables. Las zonas permeables confinan, soportan y
protegen el núcleo impermeable. La zona permeable aguas abajo actúa como dren
para controlar el límite superior de filtración, además para un mayor control de las
filtraciones transversales la sección debe tener, en lo posible, una permeabilidad
creciente del centro o núcleo hacia los taludes.
La figura 4 muestra el detalle de una presa de sección compuesta, donde el
núcleo central impermeable está señalado con el número 3, luego, los números 2 y
1 representan el confinamiento permeable de distintos materiales, del núcleo
central.
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Figura 4: detalle de sección de una presa compuesta
CARACTERÍSTICAS.
Dentro de las características de las presas de tierra se pueden ver las siguientes:
Característica en el diseño.
El diseño estructural de la presa de tierra es un problema de mecánica de suelos, que
involucra el conseguir la estabilidad del relleno y de la cimentación y tener una
permeabilidad suficientemente baja. Hay poco daño con la filtración que se tenga en
una presa de control de avenidas si la estabilidad del dique peligra, pero en una presa
para conservación debe ser lo más impermeable posible.
Altura de la presa.
La altura de una presa de tierra es la distancia desde la cimentación hasta la superficie
del agua en el vaso cuando está descargando el vertedero a la capacidad de diseño,
más una cantidad por borde libre para la marea de viento, olas y acción de la
elevación.
Borde libre se define como la distancia vertical entre la corona del terraplén y la
superficie del agua del vaso. El término más específico es “borde libre normal”, se
define como la diferencia de elevación entre la corona de la presa y el nivel normal del
agua del vaso según se haya fijado en el proyecto.
Anchura de la corona.
La anchura de la corona depende de la naturaleza de los materiales para los
terraplenes y de la distancia mínima de filtración admisible a través del terraplén con el
agua al nivel normal del vaso, de la altura y de la importancia de la estructura, de la
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posible necesidad de utilizarla como tramo de un camino y de la factibilidad de su
construcción.
El ancho mínimo de la corona debe ser aquel con el que se obtenga una pendiente
segura de filtración a través del terraplén cuando el vaso se encuentre lleno. Debido a
las dificultades prácticas para determinar este factor, la anchura de la corona se
determina principalmente en forma empírica y en la mayor parte de los casos, por
precedentes. Se sugiere la siguiente fórmula para la determinación de la anchura de la
corona para presas pequeñas de tierra:
Dónde: w = anchura de la corona en pies, hp = altura de la presa en pies arriba del
punto más bajo en el cauce de la corriente.
Taludes.
Los taludes de los terraplenes son los necesarios para dar estabilidad al terraplén
sobre una cimentación estable. Las cimentaciones permeables pueden requerir la
adición de colchones del lado aguas arriba para reducir la filtración, o filtros de drenaje
horizontales aguas abajo para dar estabilidad contra las fuerzas de filtración.
El talud de aguas arriba puede variar de 2:1 a uno tan tendido como de 4:1 por
estabilidad; generalmente es de 2½:1 o 3:1. Se usan a veces taludes aguas arriba
tendidos para eliminar protecciones costosas en los taludes. A menudo, se construye
una berma a una elevación ligeramente inferior al desembalse máximo del vaso, para
formar una base para la protección del talud aguas arriba, la cual no es necesario
prolongar abajo de este punto.
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w = hp/5 + 10
INFILTRACIÓN EN PRESAS
Teoría de la Infiltración
Existen dos tipos de análisis para infiltración, esto es para flujo permanente o
estacionario y flujo impermanente o transitorio.
El modelo de flujo permanente describe un estado donde no se producen cambios.
En un análisis de infiltración el “estado” significa presión del agua y caudal. Si ambas
alcanzan un valor estable, esto significa que estarán en ese estado para siempre. En
muchos casos donde el problema geotécnico está expuesto a condiciones cíclicas, es
posible que jamás se llegue a la situación estable.
En este tipo de análisis no se considera cuánto tiempo se necesita para alcanzar la
condición estable. Solamente se predice cómo se presentará la superficie para un
conjunto de condiciones de borde que no se modificarán en el espacio ni en el tiempo.
Como el análisis de flujo permanente no considera la componente tiempo, las
ecuaciones que lo gobiernan se simplifican. En el análisis permanente las ecuaciones
sacan el variable tiempo y omiten la función de contenido volumétrico de agua.
Un análisis impermanente por definición significa que hay cambios. Ejemplos de este
tipo de análisis es predecir el tiempo que tarda una presa en humedecerse cuando el
reservorio se llena en forma rápida. En un análisis impermanente se deben conocer
las condiciones iniciales y las funciones que describen el cambio de las mismas. Por
ejemplo en una presa, se deberá conocer la función de llenado y vaciado de la misma
en el tiempo. Por otro lado también deberán conocerse las funciones hidráulicas del
suelo para determinar en distintos tiempos el estado de infiltración en el mismo. Se
parte siempre de una condición inicial para poder conocer los estados intermedios en
el tiempo y el estado final de la modelación. En muchos casos, el estado inicial se
establece como la condición permanente.
FENOMENOS DE FILTRACION
Existen una serie de conceptos para diferenciar los diferentes tipos de ruptura
Hidráulica, sin embargo no existe una frontera claramente divisoria entre uno y otro
fenómeno.
La Erosión interna ocurre cuando las fracciones del cuerpo de la presa o
cimentación, son arrastradas hacia aguas abajo por flujo de la filtración
Tubificación es la forma de erosión interna que se inicia con la Erosión Regresiva, en
una grieta o zona de alta permeabilidad, y el resultado es la formación de un “micro
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túnel” continuo llamado ”tubo“, que va desde aguas arriba hacia aguas abajo del
cuerpo o cimentación de la Presa
La Erosión Regresiva implica la separación de las partículas de los suelos cuando la
filtración sale por ejemplo al pie aguas abajo de la presa homogénea. Las fracciones
arrastradas son sacadas por la filtración y el proceso trabaja gradualmente en
dirección hacia aguas arriba del cuerpo de la presa o de su cimentación hasta que se
forma un “tubo” continuo.
El Reventón se presenta cuando los Gradientes de Salida en el pie de presa son
altos. En suelos cohesivos esta condición se conoce como fractura hidráulica, y se
manifiesta en forma de ebullición.
En la Fig. N° 05, se muestra una presa sobre una capa arcillosa y por debajo de ella
subyace una material permeable (granular).
Se muestran las Líneas de corriente y el diagrama de fuerzas originadas por el
Gradiente Hidráulico de Salida, que puede dar lugar al Reventón (suelo movido por el
empuje).
Figura 5: dique sobre una capa de material impermeable que yace sobre un permeable.
En la Figura N° 06, se observa la presencia de una fractura en la capa cohesiva en el
pie Aguas abajo de la presa, luego el material granular empieza a salir por esa fractura
(Ebullición), luego se manifiesta en forma de erosión regresiva, y tiene lugar el
fenómeno de Tubificación, cuyo canal se conectará al fondo del embalse.
9
Figura 6: Erosión interna
La figura N° 07, trata de explicar cómo en una cimentación Homogénea el pie de
Aguas abajo de la presa puede convertirse en una zona de Gradientes de Salida de
gran magnitud, que pueden erosionar la zona mostrada
Figura 7: Dique sobre una capa de Material permeable Ebullición de arena.
Muchas veces para eliminar los efectos negativos de los fenómenos expuestos
anteriormente se recurren a soluciones como la mostrada en la Fig. N° 08, en donde el
diafragma de concreto intercepta toda la zona Aluvial permeable, pero que su contacto
con el cuerpo de la presa puede ser su “talón de Aquiles”, y es aquí en donde se
debe prestar atención.
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Figura 8: Dique con diafragma de concreto que intercepta el material permeable.
EXPLICACION FISICA DE LAS FUERZAS FILTRANTES EN SUELOS
En el proceso de filtración la partícula, se puede idealizar bajo la acción de dos
fuerzas: Presión hidrodinámica elemental, originada por la diferencia de Carga “P”
antes y después de la partícula, y la fricción filtrante elemental “”, que actúa
tangencial a la superficie de la partícula. La Resultante de estas dos fuerzas toma la
dirección del movimiento del flujo.
Figura 9: Esquema de las fuerzas filtrantes que actúan sobre las fracciones del suelo.
El vector “R” se descompone en dos vectores: W1 dirigida verticalmente, que
representa la fuerza Hidrodinámica elemental de suspensión y el Vector Wf que tiene
una dirección tangente a la línea de corriente y representa la fuerza unitaria de
filtración. Estas fuerzas se expresan de la siguiente manera:
11
Luego fuerza total de filtración sobre una porción de Volumen (V) de suelo será:
GRADIENTE HIDRAULICO.- Para un recorrido determinado, está dado por la
relación
H = Pérdida de carga en el tramo analizado
S = Longitud del tramo analizado o recorrido en donde se produce la
pérdida de carga.
Figura 10: Esquema del fenómeno de erosión interna
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SUELOS PROPENSOS A LA EROSION INTERNA
Cuadro N°1
REFERENCIA
DE RESISTENCIA
CARACTERISTICAS DE
LOS SUELOS
Mejor
resistencia a la
Erosión interna
1. Arcilla de alta plasticidad (IP>15). Bien compactada
2. Arcilla de alta plasticidad (IP>15), mal compactada
3. Arena Bien graduada o mezcla de grava y arenana
con finos arcillosos de media plasticidad (IP>6).
Media
resistencia a la
Erosión interna
4. Arena bien graduada o mezcla de grava y arena
con finos arcillosos de media plasticidad (IP>6).
Bien compactado
5. Mezcla de grava, arena y limo bien graduado (IP<6)
6. Mezcla de grava, arena y limo bien graduada (IP<6).
Mal compactada
Peor
resistencia a la
Erosión interna
7. Arena fina muy uniforme sin cohesión (IP<6). Bien
compactada
8. Arena fina muy uniforme sin cohesión (IP<6). Mala
compactada
FUENTE: Sherard en 1969, clasificación de los distintos materiales.
INFORMACION BASICA PARA EL ANÁLISIS DE LA EROSION INTERNA
En la zona de emplazamiento de la presa se debe ejecutar una serie de calicatas
cuyos resultados permitan elaborar las características de la cimentación.
Para el caso del análisis de filtración se debe obtener la siguiente información básica:
A) Perfil de la presa
B) Ubicación del sistema de filtros
C) Modelo geotécnicos de la cimentación
Granulometría curva completa (tamizado y vía húmeda)
Densidad
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Permeabilidad de la cimentación o estratos.
Con esta información y las condiciones de filtración se pasa a la etapa de análisis
correspondiente.
CONDICIONES DE FRONTERA
Se presenta a continuación la descripción realizada por Marsal y Resendiz Nuñez en
1975, respecto a las condiciones de frontera o condiciones de contorno.
El primer paso para resolver un problema de flujo es la especificación de las
condiciones de frontera, para lo cual es necesario determinar las características
geométricas e hidráulicas de las superficies extremas que delimitan el dominio de flujo.
En los casos de flujo bidimensional (o tridimensional con simetría axial), una sección
del medio en la dirección del flujo es representativa de las condiciones en cualquier
otra, y aquellas superficies se reducen a líneas. Se presenta a continuación un
resumen de las condiciones de frontera.
En medios homogéneos hay cuatro posibles clases de líneas de frontera:
a) frontera suelo infiltrado-suelo impermeable (frontera impermeable).
b) frontera agua-suelo infiltrado.
c) frontera suelo infiltrado-suelo permeable no infiltrado (línea superior de flujo).
d) frontera suelo infiltrado-aire (línea de descarga libre).
a) Frontera suelo infiltrado
Suelo impermeable (frontera impermeable). A través de una frontera de este tipo el
agua no puede fluir. Por lo tanto, los componentes normales de la velocidad son
nulos a lo largo de ella y dicha frontera define una línea de flujo (recíprocamente,
toda línea de flujo puede tratarse como si fuese una frontera impermeable).
Figura 11: Flujo confinado bajo la cimentación de una presa de hormigón, ( Marsal y Rsendiz, 1975
14
Figura 12: Flujo no confinado a través de una presa, (Marsal y Resendiz Nuñez,·1975)
Las líneas BCDEF y HI en la Figura 11, y la línea BC en la Figura 12, son ejemplos de
fronteras impermeables, pues se supone que la permeabilidad del material que
constituye la estructura de la presa de la Figura 11 es despreciable en comparación
con la del suelo de cimentación, y, en la Figura 12, otro tanto acerca de la
permeabilidad del suelo o roca debajo de AD, en comparación con la del suelo que
constituye la presa.
b) Frontera agua-suelo infiltrado.
Estas fronteras son ejemplificadas por AB y FG en la Figura 11, y por BE y CG en la
Figura 12. En vista de que en el flujo de agua en suelos la altura de velocidad es
despreciable, la distribución de presión en las fronteras agua-suelo infiltrado puede
considerarse hidrostática. Entonces en un punto cualquiera de ellas, por ejemplo el
punto P sobre la frontera BE Figura 12, la altura de presión es (h3−y) y la altura de
posición es y, por lo que en cualquier punto de la frontera BE la carga hidráulica total
será (h3 − y) + y = h3.
c) Frontera suelo infiltrado-suelo permeable no infiltrado (línea superior de flujo).
En la figura 12, la línea EF separa, dentro de la misma masa de suelo BHIC, la zona
de flujo BEFGC de la porción de suelo que teóricamente no es infiltrado por el agua
que fluye de un lado a otro de la presa. Obviamente, las componentes de la velocidad,
v, normales a dicha línea son nulas, y por tanto esta es una línea de flujo; pero el
hecho de ser precisamente la línea superior de flujo le impone condiciones adicionales
que no son comunes a cualesquiera otras líneas de corriente: la presión es constante
en toda ella (igual a la atmosférica) y, siendo despreciable la altura de velocidad, la
carga hidráulica total en dicha línea es h = y lo que indica que la carga hidráulica de
las líneas equipotenciales que corten la línea superior de flujo será idéntica a la
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elevación del punto de intersección. Esto requiere que, si se trazan
equipotenciales con caída de carga h constante, la diferencia de
elevación de las intersecciones de dos equipotenciales contiguas
cualesquiera con la línea superior de flujo sea también constante e igual
a h (Figura 13).
Figura 13: Condición de intersección de las equipotenciales con la línea superior de flujo, (Marsal y Resendiz Nuñez,·1975)
Por otra parte, se puede demostrar que las condiciones de entrada y de salida de la
línea superior de flujo son las mostradas en la Figura 14
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Figura 14: Condiciones de entrada y de salida de la línea superior de flujo, (Casagrande, 1925- 1940)
d) Frontera suelo infiltrado-aire (línea de descarga libre).
La línea FG en la Figura 12 es una frontera de este tipo. En ella, como en la línea
superior de flujo, la carga hidráulica es igual a la de posición, esto es, se cumple h = y.
Sin embargo, FG no es línea de flujo, aunque tampoco es equipotencial, es
simplemente una cara de descarga libre.
Por la ecuación h = y es evidente que FG no es una equipotencial. Se puede
demostrar que tampoco es línea de corriente, como sigue: por las propiedades
idénticas de las líneas de flujo y de las fronteras impermeables, pueden sustituirse las
líneas de corriente EF y JG por fronteras impermeables sin que se alteren las
condiciones de flujo entre ellas; si FG fuera línea de flujo, las componentes de
velocidad normales a ella serían nulas y el caudal a través del tubo de flujo definido
por EF y JG también se anularía; lo que es imposible siendo permeable el suelo
comprendido en dicho tubo. El mismo razonamiento sirve para demostrar que dos
líneas de corriente jamás se cortan.
En forma análoga a lo que ocurre con la línea superior de flujo, la ecuación h = y
obliga a que todo par de equipotenciales corten la línea de descarga libre en puntos
con diferencia de elevación igual a la diferencia de carga hidráulica de dichas
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equipotenciales. En el caso de la línea de descarga libre, es obvio que tales
intersecciones no ocurrirán perpendicularmente, pues se ha demostrado que la línea
de descarga libre no es línea de flujo.
Atendiendo a las condiciones de frontera, los problemas de flujo de agua en suelos
pueden clasificarse en dos categorías:
1) los de flujo confinado, en que todas las fronteras del dominio de flujo son conocidas
de antemano, en cuyo caso las fronteras son de los tipos a y b descritos;
2) los de flujo no confinado, en que para tener completamente especificadas las
condiciones de frontera es necesario definir previamente una de las dos fronteras
desconocidas (las de los tipos c y d, esto es, la línea superior de flujo y la de descarga
libre).
Existen distintos métodos para la determinación de estas líneas en el caso de una
presa homogénea sobre una base impermeable. La Figura 11 muestra un caso de flujo
confinado, y la Figura12 uno de flujo no confinado.
18
Conclusiones y Recomendaciones
El fenómeno de erosión interna en presas de tierra corresponde al arrastre progresivo
de las partículas más finas de suelo, al crearse gradientes hidráulicos elevados en
materiales internamente erosionables debido a la acción de fuerzas de un fluido en
movimiento y a la disminución de las tensiones efectivas debido al aumento de las
presiones de poros, lo que genera un desequilibrio en la estructura del suelo con la
consiguiente migración de finos a través de la fracción gruesa de éste.
En el caso de presas, que son estructuras diseñadas para retener fluidos, las
características de geometría, zonificación y granulometría de cada zona, así como las
cargas de agua, permiten definir las redes de flujo, gradientes y tensiones a las que
estará sometida, y con ello, el nivel de seguridad ante erosión interna.
El sifonamiento mecánico del terreno natural bajo el terraplén es más frecuente, pues
los suelos naturales son de estratificación más errática y pueden contener estratos
permeables. Es por ello que se recomienda internacionalmente utilizar elementos
contra filtraciones, que corten el flujo de filtración a través de estratos permeables que
se encuentran en la cimentación.
La erosión interna es una de las más importantes causas de rotura de las presas de
materiales sueltos. Por ese motivo, la colocación de materiales adecuados aguas
abajo de los elementos de la estructura que deben ser protegidos es el mejor medio de
evitarlas.
Además, es fundamental que proyectistas y constructores entiendan su importancia, el
destacado papel que juegan estas zonas en relación con la seguridad y,
especialmente, que la función filtro está asociado con la retención de partículas más
finas, pero que deben cumplir una segunda, la de drenaje, que a su vez depende de la
permeabilidad.
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BIBLIOGRAFÍA
“Diseño de Presas Pequeñas” Una Publicación Técnica de Recursos Hidráulicos –
Floyd E. Dominy – Editorial Continental S.A. DE C. V. MEXICO. Página (275).
“Presas de Tierra sobre Cimentaciones Blandas. Seguridad a la Falla por Filtración”
Ms. Sc. BRIONES GUTIERREZ JORGE E.
20