Primera etapa de diseño de presas de materiales sueltos

¿Qué se debe hacer en las primeras etapas de diseño de una presa de materiales sueltos?

En las primeras etapas del proyecto de diseño y construcción de una presa de materiales sueltos, el principal desafío recae en la determinación del mejor emplazamiento y tipología de presa para este, por lo cual se deben considerar las siguientes características: propiedades físicas del lugar, la función principal que tendrá la obra hidráulica, el aspecto económico y la seguridad.

El emplazamiento de una presa se elige en muchos casos en base a la topografía de la zona mientras que la tipología de presa viene dada en su mayoría tanto por el emplazamiento como por la geología y condiciones del cimiento.

Es decir, es de vital importancia que al elegir el tipo de presa los estudios o campañas geotécnicas comprueben que el cimiento existente sea el adecuado.

Las condiciones del cimiento dependen de las características geológicas, el espesor de los estratos, los materiales disponibles, la permeabilidad, la inclinación del terreno, fracturación del macizo rocoso y la actividad sísmica (fallas y licuefacción de suelos) que puedan estar presentes.

Localización del emplazamiento presas

En la etapa de planificación de una presa nueva, el sitio de emplazamiento adecuado se seleccionan por medio de planos topográficos generales como herramienta principal y como información complementaria se pueden realizar evaluaciones aéreas, cartografías y visitas geológicas, realizar evaluaciones de la superficie donde se observan la distribución de las juntas (abiertas o rellenas), evaluar la complejidad de construir en esa área en conjunto con las rutas de acceso a la zona, evaluar los materiales a disposición en la zona, estudiar los espesores de suelos donde se apoyará la presa, ubicar formaciones rocosas y posibles vías de fuga como vertientes, sumideros o filtraciones de las aguas subterráneas.

Es importante reconocer que los mejores lugares de emplazamiento suelen ser valles estrechos, debido a que permite disminuir la cantidad de materiales de relleno y la apertura aguas arriba que se presenta facilita el almacenamiento del recurso.

Tipos de presas de materiales sueltos

Las presas de materiales sueltos según las características y distribución de los materiales que la conforman se pueden clasificar en las siguientes:

1) Presas homogéneas: La totalidad del cuerpo de presa está formado por un único material que actúa como elemento impermeable, este material suele ser arcillosos debidamente compactado que por sus parámetros resistentes y deformacionales hace que la proporción de la base con la altura sea de aproximadamente 6 veces.

La geometría es muy similar a la de un triángulo isósceles. Generalmente se complementan con otros materiales para cumplir la función de manto protector o drenes.

2) Presas zonificadas: La totalidad del cuerpo de presa se encuentra formado por diversos materiales sueltos.

Cada material tiene una función específica, los materiales permeables forman los denominados espaldones de la presa, los materiales impermeables (suelo arcilloso) conforman el núcleo de la presa que se puede ubicar dentro de la franja central o inclinado hacia uno de los lados, y finalmente se necesita un material de granulometría intermedia que haga de transición entre los espaldones y el núcleo, teniendo funciones de drenaje y filtración.

3) Presas de pantalla: consiste en materiales permeables recubiertos por una pantalla impermeable aguas arriba que puede ser superficial o interna, este material impermeable usualmente es de hormigón y se le coloca adicionalmente materiales de transición para hacer función drenante.

Un factor relevante al escoger entre estas tres tipologías de presas es la caracterización de los materiales que servirán de cimiento de la obra tanto de la estructura principal como del vertedero, de la obra de derivación, obras de toma, contra taludes y casa de máquinas.

Por lo cual, se busca que estos se encuentren próximos al emplazamiento y que puedan ser productos de los materiales derivados de las excavaciones. Dependiendo del tipo de material se deberán realizar diversos ensayos de campo y de laboratorio para determinar la granulometría de los suelos, deformabilidad del macizo rocoso, la susceptibilidad a licuación de los materiales, así como su densidad relativa, resistencia al corte, comportamiento tenso-deformacional y la capacidad de carga.

Las ventajas y limitantes dependiendo de la metodología de ensayo a utilizar son las siguientes:

Ensayos in situ
Ventajas	Limitaciones
Mayor volumen de muestra	Desconocimiento de condiciones de borde
Posibilidad de registro continuo	Imposición de modos de deformación inusuales
Muestras inalteradas	Perturbación de las zonas próximas
Ensayos de Laboratorio
Ventajas	Limitaciones
Condiciones de contorno bien definidas	Perturbaciones en las muestras (Especialmente en suelos cohesivos)
Estricto control de las condiciones de drenaje	Pequeño volumen de muestra
Campo de deformaciones uniforme	Los factores que influyen en el plano de corte son variados y difíciles de controlar
Camino de tensiones predefinido	Información discontinua del macizo

Campaña geotécnica cimientos presa

A continuación se presentan los ensayos más habituales para el estudio del cimiento de presas de materiales sueltos:

Estudio cimiento presa mediante ensayos In Situ

Los ensayos in situ adecuados para evaluar los materiales de cimentación dependiendo de las propiedades de relevancia a estudiar tanto para suelos como para rocas son los siguientes:

• Deformabilidad del macizo: Esta propiedad puede ser evaluada en suelos y rocas con sondeos geotécnicos, ensayos geofisicos, dilatómetros y presiómetros, plato de carga y gato uniaxial en túnel.
• Susceptibilidad a la licuación: Se analiza en suelos únicamente. Generalmente mediante el ensayo SPT o el ensayo de penetración de cono estático CPT.
• Resistencia al corte: En suelos y rocas puede ser evaluada con ensayos de plato o placa de carga, ensayos de compresión simple, dilatómetro y ensayo de gato de sondeo. En la evaluación de la resistencia al corte en suelos se pueden utilizar adicionalmente ensayos de veleta, ensayos SPT, ensayos CPT y ensayos de corte directo in situ.
• Capacidad de carga: En los suelos y rocas se puede evaluar mediante la ejecución de sondeos y ensayos in situ en su interior (SPT, presiómetros, dilatómetros, etc.)
• Comportamiento tenso-deformacional: Los ensayos de fractura hidráulica (HF), dilatómetro-presiometro (DMT) y gato uniaxial en túnel, funcionan muy bien tanto para rocas como para suelos. En estos se puede hacer uso también de la técnica de relajación por testigo, gato plano y cámaras de presión.
• Se utilizan mayoritariamente ensayos de permeabilidad tipo Lefranc en suelos y Lugeon en rocas.

Estudio cimiento presa mediante ensayos de laboratorio

Los ensayos de laboratorio más usados para estos casos son los ensayos triaxiales donde se pueden conseguir los parámetros resistentes (Cohesión – fricción), curvas de tensión- deformación y conocimiento sobre el comportamiento dilatante o contractivo de las muestras.

Igualmente se realizan ensayos de corte directo, compresión simple uniaxial, tracción y carga puntual para determinar los parámetros resistentes de los materiales.

Los ensayos de granulometría y límites de Atterberg y estado también son frecuentemente usados para clasificar los distintos materiales y determinar sus propiedades fundamentales.

La permeabilidad de los suelos se puede evaluar realizando ensayos en laboratorio con permeámetros a cargas constante o variable. Ensayos de tubificación tipo pinhole también son frecuentemente usados.

La elección de la tipología se puede simplificar al conocer las características de los materiales a disposición y el emplazamiento, de la siguiente forma:

Materiales a disposición	Tipos de emplazamientos
	Valles aluviales amplios.	Valles con depósitos de suelos de espesor medio y laderas de suelos y rocas	Valles con depósitos de suelos de espesor bajo y laderas de rocas firmes
Material impermeable	Presas Homogéneas	Presas Homogéneas	Solución no aplicable para presas de materiales sueltos
Material permeable	Se necesita una mayor cantidad de detalles para determinar la tipología.	Presas enrocadas con pantalla	Presas enrocadas con pantalla
Variedad de materiales	Presas zonificadas a altas alturas Presas homogéneas a bajas alturas	Presas zonificadas	Presas zonificadas

Post escrito por Adriana Ojeda

Ingeniera Civil

Colaboradora invitada de Geotecniafacil.com