PRESAS DE TIERRA Y ENROCAMIENTO

Ing. Washington Sandoval E., Ph.D.

2012

PARTES DE UNA PRESA

TIPOS DE PRESAS

• Por la composición del cuerpo de la presa

–Homogéneas.

–Heterogéneas (zonificadas).

–Con pantallas de materiales no sueltos.

–Con pantallas de suelos

–Con núcleos de materiales finos.

–Con diafragmas, muros, tablestacas, etc.

TIPOS DE PRESAS Homogéneas

Con pantalla inclinada

TIPOS DE PRESAS Con pantalla de materiales sueltos

Heterogéneas (Zonificadas)

TIPOS DE PRESAS Con núcleo de materiales finos

Diafragma vertical rígido (pantalla)

TIPOS DE PRESAS

• Por su estructura impermeabilizante en la cimentación: – Con delantal.

– Con dentellón.

– Con cortina de inyección de lechada de cemento.

– Diafragma o muro.

• Por su forma de construcción: – De compactación mecánica.

– Sin compactación mecánica.

TIPOS DE PRESAS Con delantal

Con dentellón

TIPOS DE PRESAS Pantalla de inyecciones

Pantalla de inyecciones colgante

TIPOS DE PRESAS

Diafragma o muro

COMPACTACIÓN MECÁNICA

COLOCACIÓN DEL ENROCADO (RIP-RAP)

MOTIVOS DE FALLA (Según: Armas, R. 2002)

1. Agrietamiento

2. Sifonamiento mecánico (tubificación)

3. Deslizamiento del talud aguas abajo

4. Pérdidas por filtración

5. Sismos

6. Rebase de la cortina

7. Licuación

CIMENTACIÓN

• Factores a considerar :

Forma de la boquilla

Condiciones de las capas geológicas

Capacidad de soporte de los suelos que conforman la cimentación

Estabilidad de los estribos laterales

Condiciones de flujos de agua subterráneos

Permeabilidad

Paso de caudales en el período de construcción

Otros

CIMENTACIÓN

PRESA DE TIERRA LA ESPERANZA (Ecuador)

TALUD DE LOS ESPALDONES*

TIPO DE PRESA TALUD A ARRIBA TALUD A ABAJO

DE TIERRA (Depende del tipo de suelo) 2 a 4,5 2 a 4,5

TIERRA Y ENROCAMIENTO

Con núcleo central, espaldones de roca 1,3 a 1,8 1,3 a 1,7

Con núcleo inclinado, espaldones de roca 1,5 a 2,0 1,2 a 2,6

Con pantalla, espaldones de roca 2 a 3,5 1,2 a 1,6

ENROCAMIENTO

Con pantalla 0,7 a 1,6 1,2 a 1,5

Con diafragma 1,3 a 1,7 1,3 a 1,7

* Rasskazov , L. 1984

TALUD DE LOS ESPALDONES*

ALTURA DE LA PRESA TALUD A. ARRIBA TALUD A. ABAJO

PRESAS DE TIERRA

5 < H < 10 2,0 1,5 - 2,0

11< H < 15 2,5 - 3,0 2,0 - 2,25

16 < H < 20 3,0 -3,25 2,25 - 2,5

20 < H < 30 3,25 – 3,50 2,5 – 2,75

PRESAS DE ENROCAMIENTO

H < 15 0,5 0,5

15< H < 30 0,75 0,75

30 < H < 45 1,0 1,0

H > 45 1,3 1,3

* Garbovsky E. (1978)

ALTURA DE RODAMIENTO DE UNA OLA

PARÁMETROS DEL OLEAJE

D – Fetch,

w – velocidad del viento

DATOS:

ALTURA DE LA PRESA

• Sobre el nivel máximo de operación del embalse la altura de la corona se toma:

d = Δh + hr + a

a 0,5 m.

kr –coeficiente de rugosidad 0,9 – para losas de hormigón y ripio. Para enrocado y bloques de hormigón con relación; altura de la ola/diámetro o tamaño del bloque (h/d): 0,8 –para h/d=100 a 200. 0,7 - para h/d=50. 0,6 –para h/d=20. 0,45 – para h/d=10. 0,35 – para h/d=5.

- ángulo entre el eje normal, al eje de la presa, y la dirección del viento.

Δh-elevación por el arrastre de la ola hr- altura de rodamiento de la ola a – altura mínima de seguridad

PROTECCIÓN DEL TALUD DE AGUAS ARRIBA

Gp –peso de las piedras De – Diámetro equivalente a la esfera de las piedras

t = (2,5 a 3,0)De - espesor del Rip-Rap

DIMENSIONAMIENTO DEL RIP-RAP (Grishin, 1979)

DIMENSIONAMIENTO DE LA PANTALLA DE HORMIGÓN

th - espesor de la pantalla (0,15 a 0,5m.) k = 0,096 para juntas cerradas k = 0,077 para juntas abiertas L – dimensión vertical de las juntas

th= 0,15 a 0,20 para losetas prefabricadas de 1,5x1,5 a 5x5

Gp en kg, (Novak, 2001)

COLOCACCIÓN DEL RIP-RAP

FUNDICIÓN DE LA PANTALLA DE HORMIGÓN

CORONACIÓN DE UNA PRESA DE TIERRA

ANCHO MINIMO DE LA CORONA PARA PRESAS DE

MATERIALES SUELTOS

ALTURA (m) ANCHO (m)

< 20 4

20 a 40 2 + 0,1H

> 40 10

BERMAS

BERMAS Talud Aguas Arriba: Se utiliza para soportar la pantalla de protección del terraplén. Talud Aguas Abajo: Se ubican cada 15 o 20 metros de altura, en la zona de contacto con el prisma de drenaje de aguas abajo. El ancho no menor a 2m.

• Núcleo Central.- Espesor en la base (0,3 a 0,5)H, donde H -altura de la presa.

• Núcleo Inclinado.- Espesor en la base (0,4 a 0,2)H.

• Pantalla.- Espesor en la base (0,3 a 0,1)H.

NÚCLEOS DE SUELOS POCO PERMEABLES

GALERIAS

Las galerías se colocan en la base de la presas de mediana y gran altura para la ejecución de trabajos de inyección y drenaje de la cimentación. Las dimensiones mínimas son 3,5 a 4m de altura y 3 de ancho, para comodidad de los equipos de perforación.

CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS

NOMBRE

USA Rusia Reino Unido

d (mm) d (mm) d (mm)

arcilla < 0,005 < 0,005 < 0,002

limo 0,005 - 0,075 0,005 - 0,05 0,002 - 0,06

arena 0,075 - 4,75 0,05 - 2,0 0,06 - 2,0

grava 4,75 - 76,2 2,0 - 40 2,0 - 60

guijarros > 76,2 40 - 100 60 - 600

bolón 100-200

Pedrejón > 200 > 600

DISEÑO DE LAS CARACTERÍSTICAS DE SUELOS SUELTOS DEL CUERPO DE LA PRESA (Razkazov, 1984)

• La Densidad y la Humedad de los suelos que conforman el cuerpo de la presa se determinan en función de la humedad natural y la composición granulométrica.

• En climas templados y cálidos la densidad o compactación relativa (ID) de suelos con partículas gruesas (gravas, guijarros o más) se toma ID 0,9. Para suelos arenosos ID 0,66.

• Con el valor seleccionado de ID, determinamos el coeficiente de porosidad (relación de vacíos) de la siguiente condición:

DISEÑO DE LAS CARACTERÍSTICAS DE SUELOS SUELTOS DEL CUERPO DE LA PRESA

s – peso específico del suelo. v – peso volumétrico (sólidos + poros). Ecuación de Maslov V. , donde: A = 1,75 para suelos arenosos A = 1,86 para macizos rocosos A = 2,28 para grava gruesa y boleo. k – coeficiente granulométrico. D1 y D2 – diámetros mínimo y máximo de la composición granulométrica analizada. P – porcentaje del peso analizado entre D1 y D2. Pi – porcentaje parcial entre d1 y d2 d1 y d2 – diámetro mínimo y máximo del porcentaje parcial pi.

CURVA GRANULOMÉTRICA PARA DETERMINACIÓN DE k

GRAFICO PARA LA DETERMINACIÓN DEL PESO VOLUMÉTRICO MÁXIMO DE UN

MATERIAL SUELTO, max. (Razkazov, 1984)

v – peso por unidad de volumen

promedio de la curva granulométrica para materiales sueltos

DISEÑO DE LAS CARACTERÍSTICAS DE LOS SUELOS DEL CUERPO DE

LA PRESA

• Kf- Coeficiente de permeabilidad para suelos granulares (no finos).

DISEÑO DE LAS CARACTERÍSTICAS DE MATERIALES FINOS PARA NUCLEO O PANTALLA

Peso volumétrico del esqueleto de un suelo arcilloso, colocado en el cuerpo de la presa

Donde, - es el peso específico del agua; Va – es el volumen relativo de aire contenido en el suelo, Va = 0,02 a 0,04; Wc – es la humedad del suelo utilizada en el cálculo, la cual frecuentemente, para disminuir la presión de poros, es menor en 1% o 2% de la humedad óptima.

Coeficiente de permeabilidad para suelos arcillosos en cm/s, (fórmula empírica de V. Zhilinkov) la que es aplicable para 0,2 1,0:

Donde, L es el índice de vacios (coeficiente de porosidad) correspondiente al Límite Líquido,

FILTRACION EN UNA PRESA HOMOGENEA CON PEDRAPLEN

m1p 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

f(m1p) 0,74 0,51 0,36 0,28 0,22 0,18

L

DISEÑO DE LAS CAPAS DEL FILTRO DRENAJE

• Por sifonamiento

• Coeficiente de uniformidad

• Por porosidad (las partículas de una capa no deben penetrar en los poros de la otra).

Para una porosidad de 0,25 a 0,39 –suelo compactado

COMPOSICION GRANULOMETRICA DE LOS FILTROS

DELIZAMIENTO PRESA SAN FERNANDO (USA)

DESLIZAMIENTO CANAL SAN ANTONIO (ECU)

ESTABILIDAD DE TALUDES POR EL MÉTODO DE SUPERFICIES CILÍNDRICAS

ZONA DE UBICACIÓN DE CENTROS PELIGROSOS

r1 r2

TALUD RADIOS

1 2 3 4 5 6

r1/H 0,75 0,75 1,0 1,5 2,2 3,0

r2/H 1,5 1,75 2,3 3,75 4,8 5,5

EJERCICIO

rH2=52

DATOS DE UN CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE SEGURIDAD DEL TALUD

1 1,65 j1 28 c 4

2 2,05 j2 30

3 1,95 j3 16

N sección h1 h2 h3 sen cos h1*1 h2*2 h3*3 S h 10*cos (h2+h3) 12/cos (11-13) j tgj (15*14) c/cos (10-12)sen K

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

0 3,5 5,5 7 0 1,000 5,775 11,275 13,65 30,700 30,700 12,5 12,500 18,200 0,2793 0,28675 5,21878 4,0000 0,0000 1,39

1 5,3 6,4 6,7 0,1 0,995 8,745 13,12 13,065 34,930 34,755 13,1 13,166 21,589 0,2793 0,28675 6,19054 4,0202 2,1830

2 7 7 6 0,2 0,980 11,55 14,35 11,7 37,600 36,840 13 13,268 23,572 0,2793 0,28675 6,75925 4,0825 4,9200

3 9 7,5 4,2 0,3 0,954 14,85 15,375 8,19 38,415 36,646 11,7 12,265 24,381 0,2793 0,28675 6,99105 4,1931 8,0145

4 11 7,6 2 0,4 0,917 18,15 15,58 3,9 37,630 34,488 9,6 10,474 24,014 0,2793 0,28675 6,88592 4,3644 11,2120

5 13,2 6,8 0 0,5 0,866 21,78 13,94 0 35,720 30,934 6,8 7,852 23,082 0,5236 0,57735 13,32670 0,0000 14,4600

6 15,5 3 0 0,6 0,800 25,575 6,15 0 31,725 25,380 3 3,750 21,630 0,5236 0,57735 12,48812 0,0000 17,2350

7 16 0 0 0,7 0,714 26,4 0 0 26,400 18,853 0 0,000 18,853 0,4887 0,53171 10,02454 0,0000 18,4800

8 11 0 0 0,8 0,600 18,15 0 0 18,150 10,890 0 0,000 10,890 0,4887 0,53171 5,79033 0,0000 14,5200

9 3 0 0 0,9 0,436 4,95 0 0 4,950 2,158 0 0,000 2,158 0,4887 0,53171 1,14725 0,0000 4,4550

-1 1,6 4,7 6,9 -0,1 0,995 2,64 9,635 13,455 25,730 25,601 11,6 11,658 13,943 0,2793 0,28675 3,99798 4,0202 -1,4130

-2 1,5 4,5 6 -0,2 0,980 2,475 9,225 11,7 23,400 22,927 10,5 10,717 12,211 0,2793 0,28675 3,50137 4,0825 -2,5800

-3 0 3 4,5 -0,3 0,954 0 6,15 8,775 14,925 14,238 7,5 7,862 6,375 0,2793 0,28675 1,82812 4,1931 -2,2275

-4 0 0 2 -0,4 0,917 0 0 3,9 3,900 3,574 2 2,182 1,392 0,2793 0,28675 0,39922 4,3644 -0,7600

S 84,5492 37,3203 88,4990

ASENTAMIENTO

ΔSi

1- coeficiente de porosidad antes de aplicar la carga. 2- coeficiente de porosidad después de aplicar la carga. Se determina de la curva de compresión del suelo.

Evaluación preliminar del asentamiento al final de la

construcción

PRESA MAZAR-ECUADOR

BIBLIOGRAFIA

• Grishin, M. Slisskiy, S. Antipov, A. y otros (1979). Estructuras Hidráulicas. Moscú, Rusia. Ed. Escuela Superior.

• Rasskazov, L. y Slisskiy, C. (1984). Complejo Hidráulico con presa de materiales sueltos. Moscú, Rusia. Ed. MISI.

• United States Departament of Interior, (1982). Diseño de Presas Pequeñas. México, México. Ed. Continental S.A.

• Marsal, R. Resendiz, D. (1979). Presas de Tierra y Enrocamiento. México, México. Ed. Limusa, 1ª. reimpresión.

• Novak, P. Moffat, A. y Nalluri, C. (2001). Estructuras Hidráulicas. Bogotá, Colombia. Ed. McGraw-Hill 2ª edición.