Cap 14 - Presas

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Cap 14 - Presas
10/29/08
Presas
Presas
Tipos de presas
Presa zonificada
Presa de enrocados o grava con pantalla impermeable
Presa gravitacional de hormigón
Presa en arco
Presas
Presas Zonificadas
Tubificación (piping)
Presa Zonificada
Núcleo impermeable
filtros
x
1
H
x
espaldón
Pipe = Tubo
El núcleo es de suelos finos arcillosos.
El gradiente hidráulico es fuerte
Aguas arriba está toda la presión del embalse
Aguas abajo casi no hay presión
espaldón
1
0.4*H
Filtro: retiene las
partículas finas, de
otra forma se
produciría tubificación
Presas Zonificadas
Tubificación (piping)
Presas Zonificadas
Tubificación (piping)
El agua que filtra arrastra las partículas
finas las que pueden pasar a través de la
granulometría abierta del espaldón aguas
abajo
Sale la primera partícula fina y deja un
hueco
Sale la que sigue aguas arriba
El gradiente va aumentando
Se forma un tubo
Finalmente conexión directa, erosión y falla
total
Después de los rebalses, esta es la causa
más frecuente de fallas catastrófica de
presas
1
10/29/08
Presas Zonificadas
Tubificación (piping)
Presas
Tubificación (piping)
Se debe intercalar un “filtro” consistente en un
material granular pero con granulometría que deja
pasar el agua pero retiene las partículas
Los filtros son materiales granulares con
abundantes finos
Granulometría precisa cumpliendo leyes de
“filtro” para el material aguas arriba (material del
núcleo)
Los filtros son materiales caros. A menudo
requieren proceso en planta de agregados
Su colocación muy cuidadosa para evitar
segregación
A su vez los materiales del espaldón deben ser
filtro de los del filtro
Es frecuente que se requieran filtros dobles
Presas Zonificadas
Tubificación (piping)
Presas
Secuencia de construcción
Para la colocación de los filtros se deben usar
elementos especiales. La colocación y selección
de los materiales es cara
el espesor del o los filtros es el necesario para
poder colocarlo con equipos de movimiento de
tierra
Los impermeables no se pueden colocar en el
invierno
En el verano se adelanta el núcleo a los
espaldones. Se colocan los impermeables, los
filtros y algo de espaldones para contenerlos.
En el invierno se trabaja sólo en los espaldones
Los espaldones son granulares (fluviales o
enrocados de una cantera). Se pueden compactar
con lluvia y con cualquier humedad
Presas
Presa Zonificada
Este tipo de presa se puede construir sobre cualquier
tipo de fundación y con casi cualquier material en los
espaldones
Se requiere yacimiento (empréstito) con materiales
impermeables
Una capa que cumple leyes de los filtros respecto al
núcleo
Otra capa que filtra a la anterior y que es filtrada por el
espaldón
PRESA ZONIFICADA
Berma Estabilizadora
La pendiente de los espaldones (x) depende de la
calidad del material del espaldón. Con buenos
materiales x es ~ 2.2
Si el suelo para el espaldón es de mala calidad,
taludes más tendidos x puede llegar a 4
Si la fundación es de muy baja resistencia se colocan
bermas estabilizadoras
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10/29/08
Cortina impermeable
Núcleo Impermeable
Si está fundada sobre suelos permeables se
requiere una cortina impermeable
Se hace una pared moldeada
En este tipo de presas, la construcción de la
pared está en el camino crítico del programa
h
Pared impermeable de hormigón simple
d
Fluvial
Espesor: 1 mt.
Altura (d): entre 30 y 100 mts.
Roca o estrato impermeable
PRESA ZONIFICADA
PRESA ZONIFICADA
El núcleo formado por materiales
impermeables cohesivos con baja
resistencia
t = resistencia al corte
t= c + p*tang fi
Fi es bajo (la resistencia casi no aumenta
con la profundidad)
El espaldón aguas abajo recibe todo el empuje
como carga horizontal
Esto dimensiona el talud aguas abajo
El talud aguas arriba sin recibir presión (por ser
permeable toda la presión va al núcleo) debe
resistir su peso propio. Cuña de deslizamiento
Su peor situación vaciado rápido, queda con el
peso saturado y sin la presión del agua.
Presa de Enrocados con Pantalla de
Hormigón CFRD
Presa de Enrocados con Pantalla de
Hormigón CFRD
CFRD = concrete face rockfill dam
Un solo espaldón y un pavimento
impermeable aguas arriba
El cuerpo de la presa material granular
permeable
El empuje del agua tiene una componente
vertical que, en este caso ayuda a la
resistencia
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10/29/08
Presas
Presas
Presa de Enrocados con Pantalla Impermeable
Detalle PLINTO
Pantalla
de hormigón
Pantalla
Perforación Cortina Inspección
~ 1.4
Gravas o rocas
(drenante)
1
Water Stop
Anclajes
Plinto
Roca
Roca
Presa de Enrocados con Pantalla de
Hormigón CFRD
Presa de Enrocados con Pantalla de
Hormigón CFRD
Los materiales granulares tienen tg fi elevado. Del
orden de 1 (Fi del orden de 45º)
Esto permite taludes empinados. El más empinado
que se pueda construir.
Cuando enrocados 1,3/1 horiz/vert
Cuando gravas 1,4/1 horiz/vert
Son materiales permeables, presión de poros cero
incluso durante un sismo
Presa de Enrocados con Pantalla de
Hormigón CFRD
Presa de Enrocados con Pantalla de
Hormigón CFRD
La pantalla de hormigón está flotando sobre
el enrocado
Para unirla en la roca se construye el
“plinto”. Es una losa de concreto sobre la
roca.
El plinto tiene por objetivo:
Alojar el “water stop” = lamina de estanqueidad
Servir de respaldo a las inyecciones de la roca
La pantalla de hormigón es impermeable, la
roca no
La roca se inyecta para impermeabilizarla
hasta una profundidad del orden de un
tercio de la columna de agua en cada punto
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Presa de Enrocados con Pantalla de
Hormigón CFRD
Presa de Enrocados con Pantalla de
Hormigón CFRD
Si está fundada sobre suelos permeables se
requiere una cortina impermeable
Se hace una pared moldeada
En este tipo de presas, la construcción de la
pared está en el camino crítico del programa
Si está fundada sobre suelos permeables se
requiere una cortina impermeable
Se hace una pared moldeada
En este tipo de presas, la construcción de la
pared está en el camino crítico del programa
Presa de Enrocados con Pantalla de
Hormigón CFRD
Si está fundada sobre suelos permeables se
requiere una cortina impermeable
Se hace una pared moldeada
En este tipo de presas, la construcción de la
pared está en el camino crítico del programa
Presa de Enrocados con Pantalla Impermeable CFRD
Presas CFRD (concrete face rock fill dam)
Este tipo de presa se podía construir sólo sobre roca
El cuerpo de la presa y la fundación debe ser de suelos
libremente drenantes: roca o fluviales
Toda la pantalla debía llegar hasta el “plinto” en la roca
Se dejaba bajo la presa los materiales existentes que fueran
permeables
La roca no es permeable pero tiene alta resistencia
Toda la pantalla debía llegar hasta el
“plinto” en la roca
Se dejaba bajo la presa, aguas abajo los
materiales existentes que fueran permeables
Si está fundada sobre suelos permeables se
requiere una cortina impermeable
Se hace una pared moldeada
En este tipo de presas, la construcción de la
pared está en el camino crítico del programa
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Si está fundada sobre suelos permeables se
requiere una cortina impermeable
Se hace una pared moldeada
En este tipo de presas, la construcción de la
pared está en el camino crítico del programa
Presas
Presa de Enrocados con Pantalla de
Hormigón CFRD
Presa (CRFD) sobre Fluvial de Río
Pantalla
Si está fundada sobre suelos permeables se
requiere una cortina impermeable
Se hace una pared moldeada
En este tipo de presas, la construcción de la
pared está en el camino crítico del programa
Como excepción, en Chile en los 90, se inició el
empleo de combinaciones pantalla de hormigón
con pared moldeada vertical en el valle
de hormigón
Esto considerando que los ríos chilenos corren
sobre rellenos de fluviales permeables con
espesores importantes
~ 1.5
1
Gravas o rocas
(drenante)
Fluvial de Río o material poco compresible
La pantalla impermeabiliza el cuerpo de la presa.
La pared moldeada , vertical, impermeabiliza los
fluviales bajo la presa
Suelo de Roca
Plinto
Presas
Presa (CRFD) con Fluvial de Río profundo.
Solución, construcción de pared moldeada hasta la roca.
Pantalla de hormigón
~ 1.5
1
Gravas o rocas
(drenante)
Plinto
Pared Moldeada
Fluvial de Río
En el mundo se extendió en forma
importante el empleo de las CFRD en valles
similares a los chilenos
En Chile Santa Juana (primera en el mundo)
Puclaro, el Bato
Si se tuviera que construir de nuevo las
grandes presas chilenas (Colbún, Paloma,
Melado, ..) serían CFRD
Suelo de Roca
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Presas
Presa (CRFD) con Fluvial de Río muy profundo.
La pared moldeada no necesita llegar a la
roca
Basta una profundidad tal que las
filtraciones:
No sean importantes económicamente
El flujo no produzca erosión, o sea, que la
gradiente hidráulica no sea la que hace flotar
las partículas
Presa de Enrocados con Pantalla de
Hormigón CFRD
Lo más importante es que todos los suelos deben
ser permeables. En ningún punto del cuerpo de la
presa puede haber presiones
Toda la presión del embalse la contiene la pantalla
que la transmite directo al enrocado (la pantalla
está aplastada sobre el enrocado)
Se comporta como un pavimento
Solución, construcción de pared moldeada profunda para disminuir el gradiente
hidráulico.
Pantalla de hormigón
~ 1.5
1
Pared Moldeada
Gravas o rocas
(drenante)
Gradiente Hidráulico
reducido, se producen
pocas filtraciones
Plinto
Fluvial de Río
Presas
Presa de Enrocados con Pantalla Impermeable
CFRD
Son intrínsicamente estables pues la carga del agua del
embalse comprime el cuerpo de la presa y,
Al estar seco el material, no hay presiones de poro que
rebajen el roce entre partículas
Recordar que el roce entre partículas de un suelo es
proporcional a la presión entre ellas
La presión es igual al peso de material sobre ella (presión
geostática) más la sobrecarga (presión del embalse en este
caso) menos la presión de poros
En una CFRD la presión de poros es cero
Presa de Enrocados con Pantalla Impermeable
CFRD
Los enrocados tienen coeficiente de roce (tg fi)
elevado, comprendido entre 0,8 y 1
Los fluviales son aún mejores, tg fi mayor que 1
En estas presas todo el cuerpo de la presa
contribuye a la resistencia contra la componente
horizontal del empuje del agua
Repetimos, la componente vertical del empuje
ayuda a la resistencia
Resultan taludes aguas arriba y aguas abajo
empinados
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Presa de Enrocados con Pantalla
Impermeable CFRD
Desde el punto de vista de los costos y
plazos de construcción es importante:
Capas de relleno, muy gruesas hasta unos 2
metros de espesor
Libertad para construir en cualquier secuencia.
Por ejemplo si el valle es ancho, se pueden
iniciar rellenos antes del desvío. Se puede
construir la pantalla en etapas
Presa de Enrocados con Pantalla de
Hormigón (CFRD)
Presa de Enrocados con Pantalla
Impermeable CFRD
Presa de Enrocados con Pantalla de
Hormigón (CFRD)
Los diseños son empíricos, guiados por
ingenieros consultores que participan en
proyectos en todo el mundo
La sección de la presa, los tratamientos de
las fundaciones, los espesores de la pantalla,
los detalles de las juntas, etc se determinan
de acuerdo a lo que ha resultado exitoso
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Presa de Enrocados con Pantalla de
Hormigón (CFRD)
Las presas de este tipo se ha demostrado que son
las más seguras
Fallas de la pantalla, que es el elemento
impermeable, provocan pérdida de agua que filtra.
Sin embargo no se compromete la seguridad de la
presa
Ha habido presas que debido a crecidas se han
llenado antes de construir la pantalla. Filtraciones
de 60 m3/seg sin erosionar
El diseño de los rellenos se hace de modo que la
permeabilidad y el tamaño de los bloques aumente
en forma gradual
Junto a la pantalla materiales filtro de suelos
granulares no cohesivos finos (materiales 2A)
A continuación otra capa filtro de la anterior
(material 2B)
Después el espaldón grueso de mejor calidad con
capas de 80 cm. de espesor (3A), espesor 1/3 del
espesor de la presa
Presas
Presa de Enrocados con Pantalla de
Hormigón CFRD
Después material 3B con capas de 2
metros de espesor
De este modo si hay rotura de la
pantalla o falla de sus juntas
filtraciones moderadas
Se tratan dejando caer material fino sin
cohesión que colmata a los materiales
aguas arriba
Se construye la pantalla en fajas de unos 15 a 18
metros de ancho sin juntas en toda la altura de la
presa
Se elige el ancho por razones constructivas
En las juntas entre fajas se colocan “water stop”
de cobre o de plástico
Son láminas que se empotran en ambos elementos
permitiendo que se separen conservando la
estanqueidad
Presa CFRD
Ejemplo junta entre losas
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Presas CFRD
Generalidades
Presa de Enrocados con Pantalla de
Hormigón (CFRD)
La más alta del mundo está en Méjico con
210 metros de altura, recién terminada
Se está iniciando una presa de 250 metros,
también en Méjico
Se ha ido creciendo desde 100 metros en los
años70, 160 metros en los años 80
En 2006, durante el primer llenado ocurrieron
roturas en las pantallas de hormigón de tres presas
de enrocado:
dos presas en Brasil de unos 200 metros de
altura
Una en Sud Africa de 146 metros de alto
Se descubrió que en China hubo un caso similar
tres años antes
10
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e
h
Se reparó y selló la grieta sobre nivel del Embalse.
Se detectó con buzos y un robot que la grieta
seguía bajo el agua
No se detectaron las fallas horizontales
Bajo agua se hizo el tratamiento normal
consistente en descarga suelos finos no cohesivos
Disminuyeron las filtraciones
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CFRD
Falla Presa Campos Novo (Brasil)
Accidente de Compuerta Desvío
El embalse se vació y puso a la vista todas
las fallas
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10/29/08
Presas
Presa Gravitacional de Hormigón
En los proyectos hidroeléctricos, los
embalses se mantienen llenos
Fluctúa sólo la parte superior
Quedan dudas si en otros proyectos se
agrietó la losa pero no se supo
Demuestra la seguridad intrínseca de este
tipo de presa
Presas
Presa Gravitacional de Hormigón
vertedero
0.8
1
Presas
Presa Gravitacional de Hormigón
Se puede construir sólo sobre roca.
Como excepción en suelos poco compresibles y
permeables (gravas del valle central) para presas hasta
25 metros de altura.
El vertedero se construye sobre la presa.
El costo de las obras de desvío de caudales es
relativamente bajo.
Las obras de toma y descarga son sencillas.
Las hemos visto al tratar HCR
Presas
Presa Gravitacional de Hormigón HCR
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Presas
Presas
Presa Gravitacional de Hormigón HCR
Presa Gravitacional de Hormigón HCR
Cálculo seudo estático:
El empuje del agua horizontal a 1/3 de la altura
en cada bloque en que está dividida la presa
Momento respecto al punto de
volcamiento=Momento volcante =MV
Momento de los pesos del hormigón
=Momento Resistente
MR mayor que MV*coef seg.
Se aumenta la presión por sismo
Durante los primeros años se considera la tracción
debido al enfriamiento:
el cuerpo de la presa sube temperatura cuando aún está
el hormigón plástico
Se enfría, por su espesor lentamente en varios años.
Genera tracciones
En ese periodo se superpone con un sismo de
menor magnitud
Casi siempre esta última combinación es la peor
Presas
Presa en Arco
Todas las presas se verifican por medio de
modelos de elementos finitos o diferencias
finitas
Cada día programas más amistosos y
completos
Entregan tensiones y deformaciones en las
diferentes etapas de la construcción y
operación
puente
R
En un arco
con cargas uniformes,
sólo se produce
compresión
Presas
Presas en Arco
En cada punto la compresión es P*R
Como el valle se va ensanchando, el radio
va aumentando
Resulta un arco de doble curvatura
Cuando las condiciones son ideales, resultan
espesores muy bajos. 1/10 de la altura o
menos
Presa en Arco
A’
A
Espesores proporcionales al radio de
curvatura
Corte A-A’
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10/29/08
Presas
Presa en Arco
Este tipo de presa se puede construir sólo en valles
muy estrechos (B/H < 2,5) y con calidad roca muy
buena.
Si estas condiciones se cumplen, es la solución más
económica.
B
H
Presa en Arco
PRESAS
Comparaciones
Es frecuente en presas en arco que durante la
construcción se descubran condiciones más
difíciles que las consideradas en el diseño
Aumentos de costo y de plazos catastróficos
Se requieren prospecciones muy intensas. Gran
cantidad de sondajes y galerías de inspección
En Chile sólo Rapel es una presa en arco y fue un
desastre en costos y plazos
Tipo de presa
Base
Zonificada
PRESAS
Comparaciones
PRESAS
Comparaciones
En el cuadro se consideró presas CFRD y
los espaldones de la zonificada de gravas
Si son de roca proveniente de una cantera,
ambas aumentan el costo al doble
De todas maneras las presas gravitacionales
de hormigón HCR son las más caras
El vertedero en la HCR está en el cuerpo de la
presa. Casi sin costo
Las obras de Desvío se dimensionan para crecidas
con periodo de recurrencia menor ya que una vez
que arranca la presa sobre cierta cota, los daños de
un rebalse no son importantes
Similarmente el vertedero se calcula con periodo
de recurrencia menor
Volumen US$/m³ Total por
por metro
metro de
de presa
presa
(B*H/2)
Plazo de
construcción
4.5*H
2.25*H²
5
11.2
2.5
Enrocado con
pantalla
3*H
1.5*H²
4
6
2
Gravitacional
(HCR)
0.8*H
0.4*H²
40
16
1
16
10/29/08
PRESAS
Comparaciones
PRESAS
Comparaciones
La desviación se calcula para crecidas fuera del
invierno
Los Túneles de Desvío son mucho mas cortos Las
obras de descarga en la HCR también en el cuerpo
de la presa bajo costo
Si es una central hidroeléctrica, con una HCR,
también las obras de aducción son más cortas y
más sencillas
Para comparar se deben hacer anteproyectos de
soluciones con presas CFRD y HCR incluyendo el
total de las obras
La HCR gana sólo en los casos en que la
topografía hace que los vertederos sean muy
caros y las crecidas son demasiado grandes
A su favor está la gran velocidad de
construcción
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