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Timestamp: 2019-05-23 21:48:23
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Matched Legal Cases: ['artículo 27', 'artículo 39', 'artículo 39', 'e contrario', 'Artículo 14', 'Artículo 18', 'Artículo 18', 'Artículo 18', 'Artículo 18', 'artículo 19', 'Artículo 19', 'Artículo 19', 'Artículo 19', 'Artículo 19']

GENERALIDADES. TIPOS DE PRESAS.
El proyecto y la construcción de una presa, presentan problemas especiales que requieren gran conocimiento de varias ciencias y técnicas: elasticidad, geología, cimientos, hidráulica, propiedades y tratamiento de materiales, etc. Es una de las obras que más satisfacciones técnicas puede dar y requiere, quizá como ninguna, la colaboración de varios especialistas y un trabajo de equipo.
Social y económicamente, las presas son de las construcciones que más beneficios dan, y de ahí su valor político. Y es porque el regular el agua, el darla cuando falta mientras se contiene cuando sobra y puede dañar, es un bien inmenso del que se derivan varios otros: riegos, energía, protección de campos y ciudades, abastecimientos de aguas, etc.
concepto esencial de presa
Una presa es una construcción que tiene por objeto contener el agua de un cauce natural con dos fines, alternativos o simultáneos, según los casos:
Elevar su nivel para que pueda derivarse por una conducción (creación de altura).
Formar un depósito que, al retener los excedentes, permita suministrar el líquido en los momentos de escasez (creación de embalse).
En general, en cuanto una presa tiene una cierta altura, existe un efecto de embalse, que suele ser predominante.
De esto resulta que la función mecánica esencial de una presa es elevar el nivel natural del río. De ahí se deduce que la sobrecarga fundamental de la estructura será el empuje del agua, y este empuje determina su concepto resistente.
Junto con ese objetivo esencial, hay que cumplir otro secundario y accidental que, a pesar de ello, es importantísimo y condiciona el concepto estructural. Esa necesidad funcional es la evacuación del agua sobrante.
Los ríos son tan variables que no podemos prever sus caudales con absoluta seguridad; y por grande que sea un embalse, no podemos estar seguros de que no se presente una crecida excepcional que rebase su capacidad almacenadora.
La evacuación de los caudales excedentes es, pues, inevitable, pero presenta, además, una característica: como los sobrantes no se presentan repartidos en un largo período sino por efecto de avenidas de duración relativamente corta (días u horas), con caudales muy grandes, la evacuación de éstos plantea problemas.
Los órganos destinados a la evacuación de caudales sobrantes se llaman aliviaderos y pueden ser de varios tipos, según su situación:
Aliviaderos de superficie.
Aliviaderos de medio fondo.
Desagües de fondo.
Los primeros suelen ser los aliviaderos propiamente dichos en cuanto a avenidas. Los desagües de fondo rara vez sirven para aliviar avenidas, pero son fundamentales para permitir descender el nivel del embalse por debajo de las tomas de agua para su revisión; o para bajar rápidamente ese nivel cuando hay algún defecto, consiguiendo una importante disminución del empuje hidrostático, ya que éste varía con el cuadrado de la altura.
Los caudales a evacuar suelen ser moderados en los desagües de fondo (del orden de 3 veces el medio), bastante mayores en los de medio fondo (hasta 50 veces el medio).
En una gran parte de las presas, el tipo de estructura resistente viene condicionado e incluso determinado por el aliviadero.
Es esta dualidad funcional, la positiva de retención y la negativa de evacuación, y su correlativa traducción técnica, la que da a las presas su personalidad esencial y singular.
Una presa, es una estructura hidráulica, y este calificativo es esencial y da a la técnica presística un sello especialísimo que constituye el distintivo de esta técnica.
Las presas son de las construcciones más seguras, lo que no impide que , a veces, se den accidentes e incluso catástrofes. Por ello, es forzoso extremar la garantía de su seguridad.
La responsabilidad del que proyecta, construye o explota una presa es, por ello, más señalada que la normal en otras estructuras.
Esta especial responsabilidad ha llevado a varios países a promulgar unas normas oficiales para esta técnica. En España existe la llamada “Instrucción para el Proyecto, Construcción y Explotación de Grandes Presas”. La nueva edición (1.967) está vigente en la actualidad.
Esta Instrucción es obligatoria para todas las presas desde 15 m. de altura o con embalse igual o superior a 100.000 m3, o cuyas especiales condiciones requieran un particular cuidado. El ingeniero (de proyecto, obra o explotación), debe seguir sus prescripciones que son sólo normativas y presuponen el conocimiento de la técnica. En casos excepcionales puede proponer razonadamente soluciones contrarias a la Instrucción, pero requieren en ese caso aprobación oficial especial y dan al ingeniero proponente una mayor responsabilidad.
Siendo la presa una estructura hidráulica, los distintos tipos posibles responden a las variadas formas de lograr las dos exigencias funcionales:
Resistir el empuje del agua.
Evacuar los caudales sobrantes.
En cada caso, la importancia relativa de estas dos premisas, junto con las condiciones naturales del terreno (topográficas y geológicas) y las exigencias del uso del agua (situación de la central eléctrica, toma de riegos...) dan una serie de condicionantes que llevan a la elección de un tipo de presa como más adecuado.
Veamos las variantes posibles, según distintos puntos de vista:
En cuanto a la situación del aliviadero, éste puede estar:
Sobre la misma presa (presas vertedero).
Separado de ella.
En el primer caso, la estructura está directamente condicionada por el aliviadero; en el segundo, la estructura puede proyectarse con total independencia de aquel.
Respecto a la forma de resistir el empuje hidrostático, las presas pueden ser:
De gravedad, cuando el peso de la presa es notable y sirve para, al componerse con el empuje, dar una resultante adecuada y francamente interior a la base de la presa.
En arco, utilizando una forma curva para la presa, al objeto de transmitir el empuje al terreno en dirección e intensidad adecuadas.
Las presas de gravedad pueden ser, a su vez, macizas o aligeradas. Las segundas pretenden emplear menos material. El aligeramiento puede consistir en galerías horizontales o, más frecuentemente, en huecos verticales, quedando constituida la presa por una serie de contrafuertes resistentes por su peso en los que se apoya o va unida a una pantalla que transmite a ellos el empuje del agua.
Las presas arco pueden tener curvatura sólo horizontal o doble curvatura, que es lo más normal. Estas se llaman presas bóvedas o cúpulas.
Hay un tipo mixto, llamado de bóvedas múltiples, constituido por una serie de contrafuertes que resisten por gravedad el empuje hidrostático que les transmiten unas bóvedas en contacto directo con el agua.
También hay un tipo intermedio entre las presas arco y de gravedad que se llama arco-gravedad. En éste, la acción de la curvatura es insuficiente para resistir el empuje y hay que dar a la presa un cierto peso para que compense ese defecto.
En atención al material empleado, se clasifican en:
Hoy día las presas de fábrica son casi exclusivamente de hormigón.
La subclasificación de las presas de materiales sueltos se hace atendiendo a la posición de la pantalla impermeabilizadora, que puede ser interior o agua arriba; a su vez, esta pantalla puede ser de tierra, bituminosa o de hormigón armado, siendo más usada la primera, por ser más homogénea con el resto de la estructura.
Las presas de materiales sueltos resisten siempre por gravedad. En cuanto al aliviadero, las presas de materiales sueltos lo suelen tener aparte.
fuerzas actuantes.
La estructura, que puede ser de distintos materiales, debe cumplir en todo caso el doble condicionado: ser estable y ser resistente; ambas, en función de las distintas solicitaciones a que se halla sometida.
En cuanto a estabilidad, el sistema de fuerzas (componente V, H y Momentos) ha de estar en equilibrio. En cuanto a resistencia, el material de la presa debe poder soportar, coeficiente de seguridad incluido, las máximas tensiones.
Las solicitaciones a considerar están señaladas en el artículo 27 de la Instrucción vigente, y son las detalladas a continuación.
Fuerza activa fundamental, tiene dos componentes, H y V; la H suele ser la más importante. El empuje siempre está bien determinado.
Fuerza pasiva fundamental. Componente vertical, que colabora en la estabilidad y que también está bien definido.
subpresión.
Fuerza activa complementaria importante. La subpresión está producida por la filtración; es pues, exclusiva de obras hidráulicas. Ejerce una acción de cuña, con componentes H y V, siendo V la más destacada en general. Está mal definida, pero se puede controlar en parte.
temperatura y retracción.
Son fuerzas internas y, por lo tanto, tienen componentes en cualquier dirección. La retracción y el efecto térmico son reducibles con ciertas medidas de precaución durante la ejecución.
Con las fuerzas anteriores hay que contar siempre; hay otras fuerzas accidentales, que no actúan en todo momento, pero han de tenerse en cuenta al proyectar la estructura que las soporte.
No están bien definidas. Producen fuerzas H y V. Pueden ser importantes o no según las características sísmicas de la zona que se trate. Cada vez se van teniendo más en consideración, especialmente en las presas de tierra por sus efectos.
empuje del hielo.
Fuerza horizontal, poco importante en general; sólo actúa en ciertas regiones.
empuje de los sedimentos.
De componentes H y V, prevaleciendo H. De poca importancia por lo común.
efecto del oleaje.
En general de poca importancia, salvo en embalses de mucha extensión o en los que sean previsibles; o las singulares por aludes o desprendimientos difíciles de controlar.
otras solicitaciones.
Corrientemente de menor cuantía, dependiendo esencialmente del tipo de estructura. Así, en las presas de compuertas, debe estudiarse la posibilidad de vibraciones resonantes en dichas compuertas.
La Instrucción de Grandes Presas (B.O.E. de 27-10-67) da unas reglas, orientativas unas e impositivas otras, para valorar las solicitaciones indicadas.
combinación de solicitaciones.
Las solicitaciones señaladas no actúan todas simultáneamente. Existen determinadas combinaciones de ellas que son determinantes. A continuación se harán ciertas puntualizaciones.
Se llama Gran Presa a aquella que tiene altura sobre cimientos igual o superior a 15 m., o bien, aquella cuyo volumen de embalse sea igual o superior a 100.000 m3. También las que tengan acusada repercusión por seguridad o economía.
Se considera como Altura de Presa, la diferencia de cotas entre coronación y el punto más bajo del cimiento (excluidos rastrillos o pantallas).
Se dice Máximo Nivel Normal a la cota máxima que puede alcanzar normalmente (umbral de aliviadero fijo o cresta del móvil).
Nivel Máximo de Crecida es la cota máxima maximorum que se supone pueden alcanzar las aguas (incluido desbordamiento sobre aliviadero), en el caso de la avenida máxima del cálculo (500-1.000 años).
Las distintas combinaciones que considera la Instrucción son seis: dos normales y cuatro accidentales.
Las combinaciones normales son:
A1) Embalse vacío. Actuación sola o simultánea de:
A2) Embalse lleno. Actuación sola o simultánea de:
Presión intersticial (subpresión).
Empuje de aterramientos.
Empuje de hielo o de las olas.
El empuje hidrostático y la presión intersticial serán los correspondientes al Máximo Nivel Normal.
Las situaciones accidentales son:
B11) Correspondiente a A1, más la consideración de efectos sísmicos.
B21) Correspondiente a A2, más suposición de drenes ineficaces.
B22) Correspondiente a A2, más la consideración de efectos sísmicos. Se supondrá que las presiones intersticiales no son afectadas por seísmos y, además, puede prescindirse del empuje de hielos.
B23) Correspondiente a A2, pero con el Nivel Máximo de Crecida, incluyendo oleaje extraordinario (por posibles aludes). Se prescindirá del empuje de hielos, y se supondrá que las presiones intersticiales no son afectadas por la sobreelevación del embalse.
magnitud de los empujes hidrostáticos.
La sobrecarga fundamental de una presa, el empuje hidrostático, es de una magnitud no igualada por ninguna otra de las estructuras normales (puentes, cubiertas, edificios...) en las que es excepcional llegar a 5 T/m2; ésa, es la sobrecarga que carga sobre el pie de una presa de sólo 5 m. de altura. Una presa de 100 m., soporta en toda su superficie por debajo de 5 m. de profundidad (95 m.), una sobrecarga de 5-100 T/m2, esto es, hasta 20 veces más.
subpresión. teorías antiguas.
A partir de la mitad del S. XIX, las presas de gravedad se calculaban por medio de la resistencia de materiales. Se imponía la condición de la ausencia de tracciones, para lo cual la resultante del peso y del empuje debía pasar por el tercio de la base (núcleo central). Esta era la regla de Rankine.
Al estudiar la rotura de la presa de Bouzey, se vio que la causa había sido el agua que había penetrado en presión por el interior de la presa, actuando en forma de cuña. Este hecho fue la iniciación de un conocimiento fundamental en la técnica de presas: estas estructuras, por tener como sobrecarga el agua, pueden ver alterado su equilibrio al actuar ésta no sólo por su empuje, sino en cuña, desde dentro.
Su razonamiento era: puesto que el paramento agua arriba está en contacto con el agua, es a través de las grietas que haya en él por donde aquella puede filtrarse hacia el interior de la presa y hacer efecto cuña. Si impedimos que este paso se pueda producir el asunto queda resuelto.
Esto se puede conseguir proyectando la presa de forma que la compresión  paralela a dicho paramento sea mayor, o a lo sumo igual a la presión P del agua en cada punto.
Con el criterio de Levy, se proyectaron las presas, pero pronto se vio que con ello las presas resultaban excesivamente robustas y se buscaron coeficientes atenuadores. En vez de fijar "P, la experiencia dio que no hacía falta llegar a tanto, conformándose con "KP, tomando K entre 0,5 y 0,75 según los casos y el criterio del proyectista, influyendo en esta decisión también la calidad e impermeabilidad del cimiento.
lieckfeldt-kiel.
La teoría era la siguiente: supongamos que en el paramento OA se abre la grieta AC. El agua penetrará hasta C con la presión h (=Pes. Agua). Si la ley de compresiones a lo largo de la sección horizontal AB es la trapecial a´cb (lo que resulta de admitir deformación plana de AB), entonces en la longitud AC el agua penetra, pues se encuentra que los bordes de la grieta tienen una compresión menor que la presión P=h. Pero a partir del punto C ya no puede seguir avanzando la filtración, puesto que las compresiones son mayores que P. Esto equivale a razonar como Levy, pero admitiendo que el agua penetra hasta un cierto punto, lo que es una condición menos exigente. El punto C se puede fijar a voluntad, porque todo es calcular la estabilidad de forma que se cumplan las condiciones dichas.
Este propone, admitir una grieta AC, también con la condición de que no se abra más allá de C. Pero supone que el agua, al filtrar por las grietas, va perdiendo presión, de forma que su ley a lo largo de AB es lineal, siendo cero en B. Esta hipótesis es muy lógica puesto que en B hay la presión atmosférica.
La presión máxima en A no se supone igual a h, sino h, admitiendo que nada más filtrarse por la grieta hay un descenso de presión (1-)h.
El resto del razonamiento es igual al de Lieckfieldt, la compresión  tiene una ley trapecial y, desde C, esta compresión es superior a la presión del agua filtrada, por lo que AC no avanza.
subpresión. ideas actuales.
estructura porosa del hormigón.
El hormigón es un material poroso (%huecos=6-12). Los poros no están aislados, sino unidos unos con otros, formando conductos por los que puede penetrar el agua si se le deja el tiempo necesario.
Al sumergir en agua un bloque de hormigón, el agua tardará en penetrar en los poros, pero dando un tiempo suficiente, el hormigón acabará saturándose. En ese momento, en los distintos huecos se establece la presión hidrostática lo mismo que en los áridos sin cementar, por el principio de los vasos comunicantes y de Pascal, para que el hormigón adquiera presiones internas; su propia estructura porosa conduce a ello, siempre que se de al agua tiempo para penetrar totalmente.
Estos principios se ven confirmados y aclarados en la experiencia de Terzaghi.
acción de las presiones intersticiales.
Si consideramos un elemento de hormigón saturado, estará sometido en toda su superficie a la presión del agua.
Cada elemento del hormigón, está sometido a un efecto de boyancia por las presiones intersticiales. Así es como actúa la presión interior en todos los puntos de la masa (como las tensiones elásticas) y no sólo por formación de una grieta.
Cuando el agua filtra a través de un dique permeable se forma una red de líneas de corriente y las ortogonales. El agua sigue las trayectorias marcadas por las primeras y al rozar con las partículas de sólido pierde carga, señalando tal pérdida el paso de una equipotencial a otra. La línea de corriente superior es la línea de saturación. Por debajo de ella todo el dique está sometido a presiones intersticiales y cada elemento en boyancia.
La forma de la red de filtración depende sólo de la forma geométrica del dique y del nivel del agua, pero no del material. Dos diques idénticos en forma y dimensiones y con permeabilidades proporcionales de 1 a 10, dan idéntica red; lo que pasa es que el primero dará 10 veces menor caudal de filtrado que el segundo.
otras consecuencias de la red de corriente.
Otra consecuencia es la forma de producirse el empuje en una presa saturada. El agua que filtra va ejerciendo un esfuerzo por rozamiento que se descompone en esfuerzos elementales en cada punto en una dirección tangente a la línea de corriente y una intensidad igual a la pérdida de carga por rozamiento, esto es, al gradiente.
Luego el empuje se ejerce no en el paramento, sino a lo largo de las líneas de corriente.
medios para controlar y reducir la subpresión.
pantalla de levy.
Consiste en adosar al paramento agua arriba un forjado con bovedillas o losas nervadas que reciban directamente la presión del agua, transmitiéndola a través de los nervios al paramento de la presa. El agua que pueda filtrar a través de la pantalla será drenada por los agujeros, por lo que al no haber contacto directo entre el agua y la presa, ésta no sufre la presión intersticial, sino sólo el empuje hidrostático.
Pero estas pantallas sufren un defecto fundamental; su poca rigidez hace que sus deformaciones sean muy distintas a las de la presa y se agrietan o rompen.
principios sobre drenaje. pozos de drenaje.
Si ponemos a cierta distancia del paramento una serie de pozos verticales equidistantes entre sí, estos atraerán las líneas de corriente, que tienden a seguir el mínimo camino de filtración (gradiente máximo).
En ello influye tanto la distancia entre pozos, como el diámetro de los mismos. En realidad, la intensidad de la llamada hacia los pozos es función de su diámetro (directamente) y de su distancia (inversamente). Según esto nos convendrían diámetros grandes y pozos próximos pero, llevado esto al extremo, nos conduciría a debilitar la presa.
Actualmente, los pozos se sustituyen por drenes relativamente próximos con una relación diámetro / distancia "0,20, ya que resulta mejor no sacrificar la distancia, sino el diámetro.
disposición y dimensiones normales de los drenes.
El diámetro de los drenes no suele pasar de 20 cm., con un mínimo que suele ser de 7,5 cm. Es habitual elegir los de 10-12 cm.
Con estos diámetros se pueden hacer los agujeros fácilmente, bien poniendo un tubo como encofrado, o haciéndolo por perforación posterior.
Si los drenes se van haciendo conforme avanza la construcción de la presa, hay que tener mucho cuidado de taparlos para evitar que se obstruyan con desperdicios de la obra; el tapado se hace mediante tapones troncocónicos de madera o cartón preparados a tal efecto.
Los drenes de estos diámetros tienen otra ventaja sobre los pozos, y es que se prestan a ser usados, si es necesario, para inyectar la presa. En este caso es recomendable lavarlos con agua limpia al terminar la inyección.
La distancia entre ejes de drenes depende del caso. No es aconsejable pasa de 3 m. pues se disminuiría mucho el efecto de drenado y, normalmente, no se baja de 1 m. pues resultaría caro y debilitaría la presa. No obstante, en ciertos casos es preciso acercarlos más y se llega a 0,75 o 0,50 m.
Lo normal es poner los drenes a 2-2,5 m. y luego, si en alguna zona se ve necesario, se hacen unos drenes intermedios. De esta forma hacemos el gasto nada más que cuando sea preciso y en zonas limitadas.
La disposición en planta suele ser en un plano vertical, pero también pueden ponerse en dos, situando entonces los drenes al tresbolillo; esto puede ser indicado cuando de entrada se vea que hay que colocarlos a corta distancia (< 1,5 m.).
red de drenaje y vigilancia.
Si hiciéramos los drenes en uno o dos planos de arriba hacia debajo de la presa resultarían excesivamente largos para poderlos revisar y limpiar. Además, conviene tener un acceso al interior de la presa para observarla y, eventualmente, inyectarla; ambas necesidades nos llevan a establecer una serie de galerías horizontales a las que vayan a parar los drenes.
Estas galerías se ponen a distancias verticales de 15 a 30 m. Con esta equidistancia se puede lograr que los drenes estén perfectamente rectos entre cada dos galerías, con lo que el control de su limpieza es fácil. Las galerías sirven también para recoger el agua que filtra por los drenes; a estos efectos llevan unas cunetas. Naturalmente, las galerías han de tener una salida al exterior y por ellas sale el agua de filtración. Gracias a esta recogida de agua entre dos galerías no sólo se fracciona el caudal, sino que se sabe e dónde procede e incluso se ve si uno o varios drenes dan una filtración excesiva.
Las dimensiones normales de estas galerías, son las suficientes para el paso de un hombre. Es aconsejable hacer las galerías en forma oval, porque de esa forma se distorsionan menos las tensiones que habría en la zona ocupada por la galería.
Los drenes se insertan en las galerías normalmente en su pared agua arriba, pero algunos prefieren hacerlo en clave. Así se ven y limpiarían mejor, pero suelen ser más molestos porque el agua cae sobre los vigilantes.
Es aconsejable poner un tapón a los drenes en su parte superior para evitar la caída de material que pudiera ensuciarlos u obstruirlos. La boca inferior, debe estar siempre libre. Se exceptúan los drenes de la galería inferior, cuya única salida es por su boca superior, que deberá estar siempre descubierta.
Los drenes deben prolongarse bastante en la roca, llegando en algunos casos hasta una profundidad igual a la altura de la presa y, como mínimo, un 25 % de ella. Así se drena todo el apoyo de la presa y se asegura su estabilidad. Es rechazable interrumpir los drenes en la galería inferior, pues se deja de tratar la parte más interesante, que es el cimiento.
Los drenes pueden acabar todos en la misma profundidad o hacer los intermedios con profundidad menor.
El plano de drenes se suele colocar a una distancia de aproximadamente 1,50 m. del paramento agua arriba en la coronación. Como el talud suele ser 0,05, si la presa tiene 100 m. de altura, la distancia resulta de 6,50 m. en su pie. Esta es otra ventaja de un ligero talud agua arriba: dar espesores crecientes hasta la pantalla de drenes al aumentar la presión hidrostática, como parece lógico. Si el paramento fuera vertical, la distancia debe ponerse de aproximadamente 0,05H, para que tenga el debido espesor en el punto más bajo.
Los drenes se completan en la roca con rastrillo de inyecciones situado inmediatamente agua arriba de aquellos. El objeto es crear una zona impermeable para dificultar el paso del agua y detrás un drenaje para atraer el agua que pudiera haberse filtrado. Si sólo pusiéramos los drenes, bajarían estas presiones, pero atraeríamos excesivamente las filtraciones, pudiendo producir lavado en las diaclasas o fracturas de la roca con efectos que podrían ser contraproducentes.
Las galerías han de penetrar horizontalmente en la roca; de esta forma se logran varias ventajas:
1.- Se recoge el agua de los drenes comprendidos entre ambas galerías, no sólo en la parte de la presa, sino incluso en zona de roca.
2.- Se puede drenar e inyectar una zona de roca más profunda sin prolongar excesivamente la longitud de cada taladro.
3.- Se puede observar la roca desde el interior y, eventualmente, tratarla con drenes o inyecciones suplementarios.
4.- Si en un cierto momento de la vida de la presa se ve la necesidad de prolongar alguna de las galerías, puede hacerse sin dañar con el explosivo las cimentaciones, ya que las más próximas estarán 20 o 30 m. por encima.
Una galería o pozo profundos han de ir acompañados de bombas para mantenerlos en seco y sacar sus filtraciones.
Las galerías han de estar comunicadas con el exterior en uno o varios puntos cada una; también conviene que estén comunicadas entre sí, por galerías inclinadas o por pozos verticales con escaleras. En este último caso los pozos no deben estar en una misma vertical, sino con descansillos, para aliviar el uso de las escaleras, disminuir el efecto psicológico de profundidad y limitar la importancia de una caída.
Cuando la ladera es de pendiente suave, es difícil de cumplir la regla dada sobre penetración de las galerías porque entonces estas quedarían muy próximas a la cimentación del bloque adyacente, debilitándole.
La falta de galerías prolongadas se puede suplir con una galería perimetral sensiblemente paralela al cimiento, que por su proximidad continua al contacto hormigón-roca y al terreno subyacente permite conservarlo y tratarlo.
Por el contrario, cuando las laderas son muy abruptas, la regla antes dada es insuficiente y las galerías se prolongan hasta la vertical del arranque de coronación e incluso más.
medición de las presiones intersticiales.
Por medio de los drenes también podemos medir la subpresión. Basta colocar un manómetro en la boca superior con un tapón roscado que cierre perfectamente.
Las mediciones han de hacerse con los otros drenes sin tapar para que funcionen normalmente.
Cuando la presa es alta, la base es amplia y las galerías junto al paramento agua arriba dejan una gran masa de presa y mucha parte del cimiento sin acceso ni control.
Conviene entonces poner otra galería a distancia horizontal de 40 a 50 m. de las anteriores, cuando haya espacio para ello, lo que ocurre sólo cuando la presa tiene más de 60 m. de base, es decir, 80 o más metros de altura. Con la nueva galería G se puede completar el drenaje de la parte intermedia del cimiento y, en todo caso, controlarla y tenerla más próxima para eventuales inyecciones.
A veces, se completa la galería G con alguna otra superior en su misma vertical o fuera de ella.
estabilidad al deslizamiento.
Una presa tiene que cumplir fundamentalmente, estas dos condiciones:
Ser estable, esto es que, como conjunto, esté en equilibrio.
Ser resistente, es decir, que en ningún punto pueda romperse.
En este capítulo estudiaremos la primera de las condiciones.
Para que un cuerpo esté en equilibrio, el sistema de fuerzas que actúa sobre él debe dar proyecciones nulas sobre cada uno de los ejes y momentos nulos respecto a estos ejes.
Las componentes verticales son las que siguen:
La componente vertical del empuje del agua.
La subpresión.
La reacción vertical del cimiento.
Las dos primeras son activas y dirigidas hacia abajo; las dos últimas van dirigidas hacia arriba: la subpresión es activa y la cuarta es pasiva (resistente).
estabilidad al vuelco.
Viene expresada por el equilibrio de momentos.
Una presa arco, como trabaja como un conjunto está apoyada en todo su borde en el terreno, por lo que su estabilidad al vuelco no es cuestión, por tanto, supuesta la debida resistencia del terreno de apoyo.
En una presa de gravedad, en cambio, el vuelco sería posible aunque el cimiento fuera resistente. Pero para ello la resultante de las fuerzas actuantes tendría que caer fuera de la base. Ahora bien, ese peligro está siempre asegurado ya que en las presas se exige que no haya tracciones en ningún caso por lo cual la resultante ha de caer dentro del núcleo central de la base y, por tanto, holgadamente dentro de ella.
Una presa, sea bóveda o gravedad, está sometida a esfuerzos tangenciales al cimiento o apoyo que tienden a producir su deslizamiento, circunstancia que hay que comprobar por ser muy importante.
El artículo 39 de la Instrucción que está dedicado a este asunto dice:
39.1 En las presas de fábrica se comprobará la estabilidad frente al posible deslizamiento según superficies que corten al terreno, incluyendo aquellos en contacto con la presa y sean desfavorables a dicho efecto. Se justificará en cada caso:
que se ha comprobado la seguridad frente al deslizamiento según las superficies más desfavorables,
que, antes de iniciarse el deslizamiento, se transmiten las fuerzas a todo el terreno que se considere afectado por aquel, y
que se han previsto las medidas necesarias para garantizar durante la vida de la presa la permanencia de los terrenos que se oponen al deslizamiento.
39.2 En las situaciones normales A1 y A2 se comprobará que las fuerzas que tienden a producir el deslizamiento, según las superficies consideradas, son inferiores a las fuerzas que se oponen a aquel, calculadas éstas con una minoración de 1,5 para los coeficientes de rozamiento, y de 5 para las cohesiones determinadas según dichas superficies.
39.3 En las situaciones accidentales B11, B21, B22 y B23 se comprobará la estabilidad frente al deslizamiento con unos factores de minoración iguales a 1,2 y 4 para los coeficientes de rozamiento y cohesión, respectivamente.
fórmula de la estabilidad al deslizamiento.
Sea R la resultante y AA la sección considerada. Descompuesta R en sus componentes normal (N) y Tangencial (T), sabemos que la componente normal N produce una resistencia al rozamiento N*tg (=ángulo de rozamiento entre las superficies cuyo contacto es AA). Además, a lo largo de AA habrá una cohesión unitaria c y, en total, si la superficie de AA es S, el esfuerzo resistente debido a la cohesión es cS.
Como la fuerza que tiende a producir deslizamiento es T, la condición de estabilidad exige que la suma de fuerzas resistentes sea mayor que la fuerza actuante, esto es:
Para cumplir con amplitud habría que poner un coeficiente de seguridad, y así es, pero con un matiz: la Instrucción pone dos coeficientes de seguridad distintos K1 y K2 para los dos sumandos del 2º miembro. Vamos a ver las razones.
El ángulo  se puede medir o, por lo menos, estimar relativamente bien por la experiencia de lo medido en otras obras con materiales análogos, ya que sólo depende de la clase de materiales puestos en contacto.
Pero, además, el rozamiento actúa siempre, aunque la superficie de contacto esté agrietada o rota.
Por ambas cualidades no es necesario dar un coeficiente de seguridad importante a N*tg, bastando K1=1,5 en las situaciones normales, e incluso K1=1,2 en las situaciones accidentales.
En cambio, la cohesión es muy dudosa. Como entre las superficies de posible deslizamiento hay que considerar la de contacto roca-hormigón y otras a través de la roca, la cohesión no se conoce bien y es difícil de medir. La dificultad de conocer y las dudas sobre su garantía hacen que la Instrucción exija un coeficiente K2=5 para las situaciones normales y K2=4 en las accidentales. Esto, claro está, después de tomar para c el menor de los valores que creamos garantizado.
De esa forma, resumiendo, lo que dice la Instrucción es que en toda superficie plana ensayada al deslizamiento debe verificarse:
Hay que tantear varias superficies de posible deslizamiento, y ver la más desfavorable.
Siendo la componente principal del empuje hidrostático la horizontal, se intuye que las líneas de deslizamiento próximas a la horizontal deben ser las más peligrosas. Una de ellas es la junta entre presa y roca, su comprobación es ineludible.
Otras superficies desfavorables pueden estar por debajo de ese contacto cortando sólo roca.
Las superficies a considerar pueden ser totalmente planas, o formadas por dos planos, o curvas. En roca lo más frecuente es ensayar planos simples de rotura; es muy importante tener en cuenta la estructura de ésta. Si es estratificada, hay que ensayar superficies paralelas a estratos o diaclasas, pues son las roturas más probables.
Hay que tener en cuenta que detrás de la presa va a haber agua por lo que las filtraciones pueden afectar al ángulo  y a la cohesión c, particularmente si las diaclasas están rellenas de un material más o menos arcilloso.
Si queremos contar con la colaboración resistente del empuje pasivo, no hay más remedio que hundir la cimentación de la presa unos metros en roca buena, y hormigonar la base de la presa, hasta el contacto con la roca.
Se aconseja como buena práctica constructiva dejar un zócalo, hormigonando la parte baja de la presa contra el talud de roca buena y sana y no por medio de un encofrado inclinado. Y esto aunque la profundidad de la excavación sea poco importante y el empuje pasivo sea casi despreciable. Pero en algunos casos, cuando el espesor de roca afectado es importante, puede serlo también la colaboración de la roca por su empuje pasivo y en este caso, no sólo es una buena práctica, sino conveniente para la estabilidad.
Para asegurar esta colaboración no basta con hormigonar pues el contacto puede tener cierto hueco que aunque invisible, podría absorber una parte del movimiento de la presa antes de que la roca se deformara, con lo que se retardaría el efecto resistente de ésta. Para evitarlo, hay que inyectar la junta para asegurar el relleno de los huecos e incluso para lograr una cierta presión inicial sobre la roca.
Otra observación importante, se refiere al otro extremo de la base: la parte agua arriba. Una mala práctica era construir un rastrillo agua arriba con el argumento de que servía para alargar el camino de filtración y ayudar a la estabilidad afectando a una cuña de terreno más profunda, lo que mejora los sumandos de la ecuación. Pero la realidad es que entonces hay otra rotura más probable. Lo aconsejable es poner un rastrillo amplio. El rastrillo hay que comprobarlo y no debe ser delgado ni presentar ángulos vivos, pues dan lugar a concentración de esfuerzos.
La excavación agua arriba debe dejarse con un pequeño zócalo, rellenando el resto si fuera posible, con arcilla. Esta es flexible e impermeable.
Respecto al artículo 39.1 c), no basta que las condiciones actuales aseguren la estabilidad, sino que hay que prever las posibles modificaciones del estado de la cimentación en el curso del tiempo. Estas pueden depender de muchas causas: meteorización, ataque químico, derrumbamientos, erosión, etc.
formas de mejorar la estabilidad al deslizamiento.
Es obvio, que todo lo que mejora la inecuación T"( N *tg / K1)+(cS / K2), es favorable a la estabilidad.
Las mejoras pueden consistir en:
Disminuir T.
Aumentar N.
Aumentar S.
Aumentar .
Aumentar c.
cimentación en contrapendiente.
Podemos mejorar la incidencia de la resultante R con las superficies de deslizamiento posibles, sobre todo con las pésimas.
Una de ellas es la junta de cimiento AB. No cabe duda de que bajando A a C, mejoramos la incidencia en esa junta (menor T y mayor N) y añadimos, además, el peso ACB que aumentará algo más la N y disminuirá la T. A cambio de eso es cierto que también aumentamos el empuje hidrostático correspondiente a la parte AC (este empuje hay que contarlo siempre hasta e punto más bajo de la presa), pero en conjunto la estabilidad mejora.
influencia del talud agua arriba.
Otro efecto estabilizador al deslizamiento es inclinar el talud agua arriba. La presa de sección DAB, con paramento vertical AD está sometida al empuje hidrostático H. La presa de sección CAB, tiene igual volumen, pero el empuje hidrostático se compone de H horizontal y V vertical; éste último es el peso del prisma de agua ADC. Luego gracias a la inclinación del paramento conseguimos un peso gratuito de importancia, que mejorará la N.
En las presas de contrafuertes, y en general en todas las de gravedad aligeradas, como disminuimos el volumen y preso de la presa, la componente N disminuye también, mientras que H es igual. La única forma de compensar la disminución del peso y de N es poner CA inclinado para disponer del peso adicional V. Por eso las presas de contrafuertes tienen el paramento aguas arriba inclinado.
No se hace lo mismo en las presas de gravedad macizas, porque la resultante de V con el peso propio de ACB se desplaza hacia la derecha tanto más cuanto mayor sea la inclinación de CA. Si exigimos que no haya tracciones , la resultante ha de caer dentro del núcleo central de AB, lo que exige mayor dimensión de AB, cuanto mayor sea el talud de CA. Pero en las de contrafuertes no hay más remedio que inclinar AC para ganar el peso V aunque ello conduzca a mayor dimensión AB para evitar tracciones en A. Como la presa no es maciza, el aumento de AB es menos sensible en el presupuesto.
En los casos en que la cimentación presenta dificultades, las propias presas macizas deben ponerse con el talud inclinado, para conseguir la colaboración de V en la estabilidad.
Otro efecto favorable del talud es el estético, una pared vertical parece en desplome; con un pequeño talud (0,05) parece vertical.
control de la subpresión.
La presión intersticial produce una fuerza normal a la sección contraria a N; como consecuencia tenemos una resultante R más inclinada que la R´ que resultaría si no existiese la presión intersticial. Suponiendo que esta sólo da componente normal (puede dar tangencial pero es muy pequeña), refuerza T, por lo que suprimirla también favorecerá la estabilidad.
De aquí el gran interés de controlar la subpresión y reducirla al mínimo posible, pues equivale a añadir peso a la estructura. En este aspecto es parecido al efecto del talud agua arriba, sólo que con este añadimos peso de agua y con el drenaje quitamos peso negativo.
Aparte de este efecto, con un buen sistema de impermeabilización y drenaje podemos conseguir la protección de alguna zona contra la presencia de agua para evitar que, al mojarse el terreno, disminuya su  y su c.
cables tensados.
Si ponemos unos cables verticales OA con una tensión F, hemos aumentado en F la componente vertical. Pero si los cables OA se ponen inclinados, no sólo aumentamos la componente vertical en V, sino que damos una componente horizontal opuesta a la H del empuje hidrostático.
En uno y otro caso, A debe estar suficientemente profundo para no afectar desfavorablemente al cimiento, ya que la zona AB resulta comprimida y mejorada, pero al revés ocurre en A y por debajo, en donde hay tracciones.
Por ello F debe ser inferior al peso del terreno y presa que hay encima.
Los cables inclinados, si bien más eficaces, pueden ser más peligrosos para las secciones que pasan por A o por debajo.
En terrenos estratificados en los que existen alternadamente capas blandas o plásticas pueden ser de efecto contraproducente, pues pueden provocar asientos de importancia y, además, requieren reajustes continuos de presión.
En los casos de presas de cierta altura con problemas importantes de cimentación, los cables pueden dar lugar a un coste superior a otras soluciones como la cimentación más profunda e inclinada, los rastrillos...
Los cables pueden estar indicados únicamente en casos de refuerzo de presas ya existentes, sobre todo si no son grandes. Para presas grandes o para refuerzo de zonas extensas, lo normal es que las soluciones de masa den mayor economía y mejor resultado.
aumento de s: rastrillos.
Se puede lograr este aumento obligando a que las posibles superficies de deslizamiento sean más profundas. Eso se puede conseguir hundiendo más el talón agua arriba o con un rastrillo. Al forzar ese punto en profundidad se alarga S, al mismo tiempo que mejoran N y T.
En algunos casos puede ser útil otro rastrillo agua abajo que al profundizar, aumenta la cuña del empuje pasivo.
Esto puede ser importante también en los casos de presas vertedero. El rastrillo agua abajo asegura que la presa no puede ser descalzada demasiado por la erosión.
Un relleno arenoso o limoso puede tener  aceptable, pero c nula; un relleno arcilloso mojado tendrá tanto  como c muy bajas; en estos casos extremos hay tratamientos especiales que permiten sustituir el relleno por mortero de cemento. Consisten en principio en lo siguiente: se traza una cuadrícula sobre la superficie a tratar; de esa cuadrícula se decide qué proporción va a tratarse, uno sí y otro no, en diagonales o cualquier otro sistema.
Cada cuadrado se trata individualmente. Se hacen, por ejemplo, 9 taladros con una profundidad algo mayor del espesor de cimentación a tratar. Entonces se inyecta agua a presión por uno de los agujeros, tapando todos menos los otros adyacentes; el agua va lavando el relleno , que sale mezclado con ella hasta que el agua sale limpia. A continuación, se repite el juego con otro agujero y así sucesivamente, hasta dejar lavado todo el volumen afectado por el cuadrado y la profundidad de los taladros.
Ya limpio de relleno, se inyecta lechada o mortero siguiendo un sistema parecido al de la limpieza, hasta que el terreno no admita más.
Otro método indirecto de mejorar  y c es disponer de un enérgico dispositivo de inyección y drenaje para evitar que el terreno se moje en ciertas zonas.
La presa y el embalse, forman un conjunto indivisible. La primera es una obra singular, local y artificial, y el segundo un elemento natural, extenso, con un solo aunque importante, añadido artificial, que es su inundación.
Las condiciones que deben cumplir el terreno de asiento de la presa y el del embalse son las siguientes:
El cimiento y los estribos de la presa deben ser capaces de resistir las cargas transmitidas por ésta.
El terreno cubierto por el embalse ha de ser impermeable; pérdidas de agua que queden limitadas a una cantidad que no perjudique el almacenamiento ni produzca presiones intersticiales peligrosas para la resistencia o estabilidad del embalse o presa.
El embalse ha de ser también resistente, pero en un sentido relativo, pues podría tener fallos locales al mojarse con tal de que no progresen ni puedan perjudicar a su impermeabilidad ni a la resistencia de la presa, directa ni indirectamente.
resistencia del cimiento de la presa.
Ya tratado en capítulos anteriores.
impermeabilidad del embalse.
Éste se hace con el fin de retener agua y, por ello, toda fuga de ella es contraria a tal objetivo funcional; sin embargo, es imposible la impermeabilidad absoluta, por lo que hemos de contentarnos con exigir que las pérdidas sean mínimas y despreciables. Pero sobre todo que no progresen ni produzcan presiones intersticiales peligrosas.
Al analizar la impermeabilidad, hemos de considerar dos facetas: el embalse, en general, y las proximidades de la presa, esto es, la cerrada.
Es la más importante desde el punto de vista de la retención, pues afecta a una extensión considerable. Además, de existir algunas zonas permeables en el vaso, si son de cierta importancia, no podrán tratarse por su coste excesivo. En cambio, el vaso suele tener la ventaja de que el gradiente hidráulico de la posible filtración es débil.
En ella, los posibles caminos de fuga son cortos, lo que conduce a gradientes fuertes. Asimismo, estas posibles filtraciones no solo pueden ser notables, sino que, además, producen presiones intersticiales que influyen en la estabilidad y resistencia de los estribos y de la presa. En contrapartida, al ser la zona de una superficie y volumen más limitados, es susceptible de una investigación cuidados y de adecuado tratamiento.
Las rocas más peligrosas son las calizas, pues pueden tener cavernas y grietas intercomunicadas. También pueden serlo los yesos, que son impermeables pero solubles.
En cambio, las margas, arcillas, pizarras, granitos y cuarcitas son impermeables, en general. Pero hay que cerciorarse (granitos y cuarcitas), de que no presentan formaciones de diaclasas que puedan conducir a filtraciones importantes.
Es preciso estudiar la impermeabilidad no sólo actual, sino futura, del embalse. Salvo casos especiales, la impermeabilidad del vaso debe conseguirse por su constitución natural, pues no es concebible tratar de impermeabilizar grandes superficies. Sólo si estas son reducidas, en zonas muy concretas, es posible acometer su impermeabilización con pantalla de inyecciones o con mantos recubridores. Un caso concreto de ello, es la cerrada.
estabilidad del vaso.
La estabilidad del vaso debe ser tal que no pueda padecer la retención del agua ni la seguridad de la presa, pero son admisibles faltas de estabilidad parciales siempre que no afecten a ninguna de las dos condiciones esenciales enunciadas.
Por ejemplo, es admisible que al mojarse alguna zona del embalse haya un corrimiento limitado. Si ésta no descubre alguna parte permeable o soluble, el embalse no padece por ello. Pero hay que cerciorarse de que no tienen otra repercusión más peligrosa, como podría ser, si el deslizamiento fuera brusco y extenso, la formación de una ola gigantesca que pudiera llegar a verter sobre la presa o por un collado bajo del embalse, o que produjera un impacto en la presa que pusiese en peligro su estabilidad.
Presa y embalse constituyen un conjunto único e indivisible y no basta que uno de ellos exista y permanezca, si el otro padece un defecto grave, sea en su impermeabilidad o en su resistencia.
Por todo lo expuesto anteriormente, es imprescindible un estudio geológico detenido y serio, tanto de la cerrada como del vaso, analizando la permeabilidad y estabilidad de los terrenos constituyentes, en un cierto entorno, más o menos extenso según los casos.
De este estudio hemos de deducir consecuencias concretas en cuanto a estabilidad, resistencia e impermeabilidad. El objetivo del informe geológico es un dictamen para saber si la presa y el embalse son posibles o no, y sólo servirá el estudio hecho si ayuda a contestar adecuadamente a esa pregunta y nos marca las precauciones a tener en cuenta en la obra.
El geólogo contestará a esas preguntas, ayudado por los medios adecuados de investigación. Estos son:
Prospecciones geofísicas (eléctricas, sísmicas...)
Excavaciones (trincheras, túneles y pozos).
Se basa en la diferente resistividad de los terrenos según su construcción e incluso según tengan o no agua. Los resultados son más útiles y fidedignos cuando se trata de interpolaciones entre zonas próximas de terrenos conocidos directamente o por sondeos o excavaciones. Para su correcta aplicación e interpretación, es preciso conocer la estructura y composición del terreno en algunos puntos.
Tiene por fundamento que la celeridad de transmisión de una onda de choque es "(E/Q), siendo E el coeficiente de elasticidad de la roca y Q su densidad. Midiendo el tiempo de transmisión a varios puntos de una explosión provocada en otro, se puede colegir E, lo que ya es un resultado directo esencial para el cálculo; pero también se puede saber la composición del terreno.
Son útiles para conocer el terreno en profundidad. Gracias a los testigos que obtienen podemos ver y hasta ensayar directamente las distintas capas.
En algunos casos es útil obtener muestras sin alterar, cuando el terreno es arcilloso y ha de conocerse su estado natural de cohesión, saturación, etc.
Son, sin duda, el procedimiento más útil y seguro, pero también el más costoso. Gracias a ellas, podemos descubrir como es el terreno en profundidad, de manera más directa que con los sondeos; nos permite ver y tocar la roca tal cual es y apreciar su constitución , estratigrafía, diaclasas, etc.
Una utilidad muy directa de las excavaciones son los ensayos in situ, que pueden ser químicos, mecánicos...
Según el terreno y la profundidad que queramos alcanzar, haremos una trinchera (relativamente superficial), una galería (para profundizar en horizontal) o un pozo (para investigar en vertical o con fuerte inclinación). Las galerías o pozos pueden ser útiles después para el drenaje de la obra; aunque también pueden representar un camino de filtración que abra una vía de agua. Debe analizarse el efecto de las galerías abandonadas (a veces de Km.) y, en consecuencia despreocuparse de ellas (si son de efecto indiferente) o taponarlas, inyectarlas, etc. (si pudieran ser perniciosas).
El plano del embalse para primeros tanteos puede ser de escala alta (1/50.000 o 1/25.000) siempre que su extensión sea importante. Pero el estudio definitivo del embalse debe ser de una escala no inferior a 1/5.000; es muy usada la 1/2.000.
La cerrada exige un plano más detallado, pues hay que definir en ella las obras de la presa y las instalaciones auxiliares necesarias. Para primeros tanteos podrá bastar un 1/5.000 y desde luego uno a 1/2.000. Pero para el proyecto definitivo hay que bajar a 1/500 o 1/200 según los casos. Este plano debe extenderse a una zona suficientemente amplia para incluir, además de la presa, el aliviadero y otros desagües, las instalaciones auxiliares de obra ...
Para definir la presa es preciso obtener, además, perfiles transversales de ella, con escala 1/100 o más.
En tanteos previos de presa, para estudiar su mejor ubicación y antes de obtener el plano definitivo, se puede conseguir suficiente aproximación levantando perfiles transversales a la cerrada a escala 1/500 o 1/1.000.
Hoy en día se han impuesto casi sin excepción los levantamientos fotogramétricos, sean aéreos o terrestres. Normalmente se emplean los primeros para los embalses y los segundos para las cerradas. Los perfiles transversales o longitudinales se toman por topografía clásica.
presas de materiales sueltos. tipos.
Las presas de materiales sueltos abarcan todas las que se construyen con elementos naturales (tierras, gravas, escollera, etc.) que no tienen cohesión alguna o la tienen relativamente reducida y, en cualquier caso muy inferior a la artificial conseguida con aglomerantes.
La técnica actual tiende a usar todo lo posible los materiales disponibles en las proximidades de la presa, distribuyéndolos según sus características en los sitios más aptos.
Se usan los materiales tal y como se encuentran en la naturaleza sin más elaboración artificial que el apisonado o la adición de agua para la debida compactación.
Tienen un importante defecto en su función hidráulica: al verter el agua sobre ellas, arrastra con facilidad esos materiales y puede llegar hasta provocar su destrucción.
condiciones especiales que deben cumplir.
Toda presa debe ser estable, resistente e impermeable. Esta última condición se cumple casi automáticamente -supuesta una buena ejecución- en las presas de fábrica; pero en las presas de materiales sueltos hay que cuidar la impermeabilidad de una forma directa, pues esos materiales pueden no darla suficientemente. Y también por su efecto en la estabilidad y resistencia, pues las presiones intersticiales influyen en ellas de forma mucho más notable que en las de hormigón por doble motivo: por la corta o nula cohesión, que puede ser insuficiente para contrarrestar esas presiones internas; y, además, porque el agua filtrada, al mojar los materiales, disminuye su corta cohesión y el coeficiente de rozamiento.
Es obvio decir que estas presas resisten por gravedad, aunque en casos muy excepcionales se curvan y se tiene en cuenta este efecto, pero este es siempre mucho menor que el del peso.
En las presas de materiales sueltos hay que tratar especialmente la condición de impermeabilidad. Esta se puede conseguir de tres formas.
1.- Intrínsecamente, en las presas hechas con material impermeable (arcillas o limos).
2.- Con un núcleo impermeable de arcilla o limo. Este puede estar en el centro de la presa (vertical, o casi), o cerca del paramento agua arriba (inclinado).
3.- Con una pantalla de material no térreo, hormigón armado, acero o betún; esta pantalla se coloca en el paramento agua arriba.
presas homogéneas.
Son las constituidas por un material único.
La función impermeabilizadora está unida a la resistente, como en las de fábrica.
Su uso puede estar indicado en sitios donde predomina un material fácil de emplear y económico; mucho más indicado en presas de baja o moderada altura (20m. ó menos), pues su simplicidad representa economía y los inconvenientes de la homogeneidad no son graves con tensiones moderadas.
Se emplean tierras impermeables o semi-impermeables, pero se han hecho también con éxito diques con arenas permeables y mezclas de arena-grava. Porque en algunos casos puede ser aceptable una cierta filtración si la estabilidad está asegurada.
El inconveniente principal de este tipo de presas son las presiones intersticiales. Al salir las líneas de corriente al paramento agua abajo, pueden dar lugar a salida del material más fino, originando asientos.
En presas de tierra lo ideal es bajar rápidamente la línea de saturación para que haya agua abajo una zona casi sin presiones intersticiales con un peso estabilizador que impida el arrastre de las partículas superficiales.
presas de material único con zonas.
El material es el mismo en toda la presa, pero con ciertas variaciones de tratamiento en distintas zonas. Con un único material cabe obtener una gama de permeabilidades variando la compactación o el contenido de agua.
Cabe hacer una diferente compactación por zonas, más intensa aguas arriba que abajo, o bien dar un mayor contenido líquido agua arriba, o ambos efectos.
También puede lograrse una diferenciación zonal, seleccionando el material y colocando el más fino en un núcleo mas impermeable, de manera similar a como luego describiremos para presas con núcleo diferenciado.
A partir de 6 u 8 metros de altura, conviene que las presas de tierra tengan drenaje para controlar la línea de saturación y los efectos de las filtraciones.
El drenaje cumple las siguientes funciones:
1.- Reducir la presión intersticial en una zona agua abajo, para aumentar su estabilidad al deslizamiento.
2.- Controlar la filtración y observar si arrastra material del dique (sifonamiento).
En presas bajas (< 30 m.) puede bastar un simple dren al pie del paramento agua abajo.
Para alturas mayores de 30 m. es preferible adentrarlo más. El dren horizontal se usa mucho hasta unos 45 m. de altura. Puede lograrse también el efecto drenante con un dren longitudinal.
En presas más altas (> 45 m.) se usan también drenes verticales o inclinados que se unen a los horizontales.
Si el dique y el cimiento son relativamente impermeables, el dren debe tener una permeabilidad por lo menos 10 a 100 veces mayor que la media del dique.
La idea del dren va unida a la de filtro en presas de tierra, pues el efecto drenante supone una afluencia de agua filtrada hacia el dren y un incremento del gradiente de filtración, lo que lleva a una posibilidad de arrastre de finos. Para impedirlo, hay que poner entre el dren y el material de la presa una capa de filtro de la debida granulometría para impedir el paso de los finos, dejando paso al agua.
presas con núcleo impermeable.
Cuando el material disponible en el lugar es abundante, pero poco impermeable, las únicas soluciones son disponer un núcleo impermeable, o bien una pantalla de hormigón o bituminosa. Incluso puede ocurrir que habiendo en abundancia material impermeable, sea mejor emplear éste sólo en el núcleo por las siguientes razones:
1.- El material impermeable suele ser más caro.
2.- La combinación de núcleo impermeable y espaldones permeables puede dar un volumen total menor que otra disposición.
3.- El clima del lugar o el plazo de construcción pueden aconsejar en lo posible la zona de material impermeable, más delicado de consolidar y más afectado por las lluvias.
En la presa homogénea, toda ella resiste y es impermeable; en la de núcleo, es a éste al que se confía la impermeabilidad, siendo misión del resto sólo el resistir el empuje.
El espesor del núcleo viene fijado fundamentalmente por la impermeabilidad que se le exige.
Desde el punto de vista de la estabilidad, convienen los núcleos estrechos, pues la resistencia cortante es menor en el núcleo. En cambio, la tendencia al sifonamiento crece al disminuir el ancho. Por ésta última razón, el espesor mínimo puede venir forzado por la plasticidad y la gradación del material.
Aunque hay que estudiar cada caso, se darán las siguientes reglas prácticas:
Espesores de 30-50% de la carga de agua en cada altura han dado resultados satisfactorios, en general, para cualquier tipo de tierra y altura de presa.
Anchos de 15-20% son delgados, pero pueden dar resultados satisfactorios acompañados de filtros adecuados en el contacto con los espaldones.
Los menores del 10% se han usado muy poco y sólo pueden ser tomados en consideración cuando una grieta en el núcleo no conduzca a la rotura de la presa.
La tendencia actual es más bien hacia núcleos gruesos.
consideraciones respecto a la inclinación del núcleo.
Veamos primero las ventajas del núcleo vertical:
Da presiones mayores que el inclinado en contacto con el cimiento y esto es ventajoso para la impermeabilidad.
Para igual volumen, el núcleo vertical da mayor espesor e impermeabilidad que el inclinado.
El contacto real con el cimiento no varía al modificar la altura de dicho contacto, mientras que, con núcleo inclinado, ese contacto se desplaza hacia aguas arriba si se hace más profundo. Con un núcleo inclinado no podemos saber que posición tendrá su base hasta acabar de excavar, mientras que con un núcleo vertical conocemos de antemano su posición planimétrica y sólo queda el profundizar más o menos.
Si se prevé la posibilidad de tener que inyectar el núcleo después de construida la presa, el vertical permite hacerlo desde coronación sin vaciar el embalse; no así el núcleo inclinado (salvo empleando sondas inclinadas, lo que da mayor longitud y es más caro y con posibilidad de salirse con la sonda fuera del núcleo, comunicando con el agua del embalse.
Vemos ahora las ventajas del núcleo inclinado:
Permite construir el resto de la presa con sus taludes naturales sin preocuparse del núcleo, que puede ir muy retrasado en altura. Si la región es lluviosa, el núcleo inclinado se va haciendo cuando las condiciones metereológicas lo permiten, pero el espaldón sigue su curso independiente. Con el núcleo vertical., en cambio, los espaldones han de preceder con una altura muy escasa al núcleo para que el vertido de material no lo tape.
Otra ventaja del núcleo inclinado es que permite inyectar el cimiento mientras se sigue construyendo el núcleo y el espaldón. También es más fácil la construcción de los filtros, al ser inclinados, lo que suele permitir hacerlos más estrechos.
En cuanto al volumen total de la presa, suele haber poca diferencia entre ambos tipos. El núcleo inclinado, al liberar al resto de la presa de presiones intersticiales, da un talud más fuerte agua abajo si el núcleo es vertical. Pero a cambio, el inclinado exige un talud agua arriba más tendido, para dar estabilidad al deslizamiento cuando el embalse se baja con cierta rapidez y el núcleo está saturado. Ambos efectos se suelen compensar aproximadamente, resultando volúmenes totales similares para ambos tipos de núcleos. El volumen mínimo teórico se obtiene cuando el núcleo está en una posición tal que el coeficiente de deslizamiento sea el mismo en ambos paramentos, lo que se suele conseguir con una suave inclinación media hacia agua arriba del orden de 0,5.
Un punto muy debatido es el de la colocación más conveniente del núcleo frente a las fisuras por asiento diferencial o provocadas por terremotos. Parece mejor el núcleo inclinado, no porque se agriete menos en los terremotos, sino porque tienen un mayor volumen estable de piedra agua abajo del núcleo.
presas con sección heterogénea.
En ésta, hay que operar con materiales naturales y su coste depende de los de las cuatro operaciones siguientes: extracción, transporte, clasificación y puesta en obra.
Por todo esto hay que buscar la presa que, cumpliendo las exigencias funcionales, resulte de coste mínimo. Y esta será la que combine más adecuadamente los materiales disponibles en las inmediaciones, pues el transporte grava mucho el coste. Y muy probablemente, la presa más económica no será la de volumen mínimo.
El concepto de volumen mínimo aplicado a la presa misma es incorrecta, el coste no se aplica sólo al volumen de la presa, sino también al de los materiales abandonados, al menos en las partidas de extracción y clasificación y, en parte, de transporte.
Hoy día se conciben estas presas unidas estrechamente al terreno circundante y no sólo en la tipología funcional, sino también en los materiales constituyentes. El mejor proyecto de una presa de tierras será el que utilice estos materiales con mejor aprovechamiento conjunto.
Esta es la función que cumple la presa heterogénea. En ella se aprovechan al máximo los materiales disponibles, procurando que no haya nada desechable o, al menos, que sea el mínimo. Los materiales más impermeables van al núcleo; los más gruesos se usan para proteger los paramentos o al pie de los espaldones, como drenes; otros van a los filtros, e incluso los materiales heterogéneos se usan en los espaldones para dar peso estabilizador.
Se usa mucho para espaldones el llamado “todo uno”, esto es, las gravas del río o depósitos de terrazas aluviales, formadas por materiales de granulometría muy diversa.
El esquema general de una presa heterogénea podría describirse de la siguiente manera:
1.- La función impermeabilizadora se encarga a un núcleo de arcilla, limos o mezcla, incluso con elementos de cierto grueso, pero con la debida proporción de finos para conseguir la impermeabilidad deseada. El núcleo será vertical o inclinado, con las ventajas e inconvenientes ya analizados.
2.- Un núcleo vertical divide la presa en dos espaldones: agua arriba y agua abajo. Uno inclinado puede no tener más que el de agua abajo.
3.- Lo ideal es que el espaldón agua abajo sea muy permeable, porque así hay una caída franca de la presión intersticial en el núcleo y agua debajo de este el espaldón queda casi libre de ese efecto, a favor de la estabilidad. Pero hay que atenerse a los materiales disponibles, aunque sean poco drenantes; en este caso, para liberarlo de presiones internas, conviene disponer un dren horizontal o profundo, o bien un dren vertical o inclinado.
4.- Hay que considerar la discontinuidad que puede producirse entre los materiales de granulometría muy dispar. En general hay que poner filtros para impedir que los finos pasen de una zona a otra. Suelen ser imprescindibles entre el núcleo y el dren inmediato; sin embargo, pueden no ser necesarios en otras zonas cuando su granulometría cumpla ya la condición de filtro.
5.- El espaldón agua arriba es indiferente, en principio, respecto a impermeabilidad, pues está situado en una zona forzosamente embebida de agua, ya que el elemento de contención es el núcleo. Sin embargo, una impermeabilidad alta puede exigir un talud más suave para asegurar la estabilidad al descender bruscamente el nivel del embalse.
6.- Ambos espaldones han de ser estables en todas las hipótesis; durante la construcción, a embalse vacío, con embalse lleno y para desembalse rápido.
influencia de la cimentación.
Las presas de materiales sueltos son particularmente indicadas en cauces con fuerte espesor de acarreos, porque en ellas es mucho más fácil resolver la impermeabilización que con una presa de fábrica, pues ésta exige llevar la cimentación hasta roca firme, mientras que en aquellas basta prolongar el núcleo o la pantalla.
Cuando el núcleo es inclinado, su prolongación a través de los acarreos se hace vertical, para facilitar su construcción.
También son indicadas estas presas, en terrenos con posibles asientos, pues éstos pueden ser seguidos mejor gracias a la plasticidad de los materiales térreos que en las presas de hormigón, excesivamente rígidas.
pantallas de material no térreo.
Pueden ser de hormigón armado, acero o bituminosas; y tienen por objeto asegurar la impermeabilidad. Cabe ponerlas en varias posiciones, pero las interiores a la presa han sido prácticamente abandonadas, y no son revisables. Así, la única manera que consideraremos es la exterior, en el paramento agua arriba.
El esquema funcional teóricamente es perfecto: función impermeabilizadora centrada en la pantalla, colocada, además, en el sitio más adecuado; y función estabilizadora cumplida por todo el dique, sin más tensiones internas que las debidas a su propia función resistente.
La pantalla de hormigón armado, aunque utilizable, presenta muchos inconvenientes; varias pantallas de hormigón se fisuraron o rompieron, y esos fracasos, unidos a los progresos técnicos en el tratamiento de tierras han hecho que se empleen cada vez menos.
Hoy día, la disponibilidad, baratura creciente y adecuada técnica de los materiales bituminosos, hace que la pantalla de esta composición tenga un prometedor futuro, y no sólo por su inicial coste, sino por la gran flexibilidad, que le permite seguir sin romperse los posibles asientos de la presa, condición muy importante, por lo previsible de éstos.
La pantalla de chapa de acero también tiene una gran flexibilidad y, además, es muy resistente. Pero su elevado coste ha relegado su empleo a un corto número de casos.
Las ventajas de la pantalla no térrea son:
Usada con un buen drenaje agua abajo, el resto del dique queda totalmente libre de presiones intersticiales, pudiendo reducir su volumen para igual seguridad.
Dada su posición en el mismo paramento agua arriba, toda la presa resiste al empuje del agua.
Al ser exterior es fácilmente revisable e, incluso, con ciertas condiciones, reparable.
Si ocurre alguna fuga, ésta no lleva a un avance progresivo.
Sirve de protección contra las olas.
Exige menores taludes en la presa.
Resuelve el problema de la impermeabilización cuando no hay finos naturales aptos.
Su construcción no depende del clima ni de las lluvias.
La ejecución es también muy rápida, por lo que se puede acometer al final.
Los inconvenientes, aunque en menor número, han sido hasta ahora muy importantes en la práctica. Estos son:
La corta longitud de su vida. El hormigón armado, sometido a alternativas de humedad y temperatura, oleaje, asientos, etc, se deteriora bastante. Lo mismo sucede con el acero, por causa de la corrosión; y con el betún, que es material de no larga vida; aunque estos dos últimos con una buena ejecución pueden durar por lo menos 30 años.
El coste puede ser elevado y hacer desechable la pantalla. El coste de la pantalla es proporcionalmente menor cuanto mayor sea la altura de la presa, pues el volumen de espaldón crece más deprisa.
Estos inconvenientes y otros menores no detallados, han superado en general a las ventajas.
Los tres tipos de pantalla mencionados presentan las siguientes características favorables y desfavorables:
La de hormigón es muy rígida y sigue mal los asientos inevitables del espaldón, originando grietas. Si se hace más delgada, es más flexible pero no lo suficiente, y puede romperse por debilidad. Si se aumenta su espesor, resiste más pero puede agrietarse y romperse por excesiva rigidez; además, se encarece mucho.
La de acero es muy flexible y resistente. Desde el punto de vista funcional es buena por eso, pero su coste es muy elevado y en la mayor parte de los casos, prohibitivo.
La bituminosa es muy flexible, lo que es fundamental dados los asientos de estas presas. La resistencia, aunque débil, es casi innecesaria, ya que, al plegarse perfectamente a los movimiento, no tiene casi esfuerzos de flexión. Otra ventaja de esta pantalla es que, si se forma una grieta, la plasticidad del material tiende a cerrarla. Un inconveniente es que, por el momento, la altura límite con la que se ha usado es de unos 75 m. pero esto, es de suponer, se irá superando.
presas de materiales sueltos. detalles de proyecto y construcción.
En las presas de hormigón, el material es previamente conocido y sus características pueden fijarse. Podemos pues, suponer a priori, unas características y fijarnos taludes y dimensiones y luego exigirlas al hormigón.
En cambio, cada presa de tierras tiene sus materiales propios. El núcleo puede ser de arcilla, pero la permeabilidad de ésta, su cohesión, ángulo de rozamiento y peso específico pueden variar mucho, no sólo de unas arcillas a otras, sino incluso para una arcilla determinada según su compactación, contenido en agua... Por ello no hay un proyecto tipo de presas de tierras, pues cada una tiene su individualidad.
En este capítulo vamos a analizar de forma simultánea los detalles de proyecto y los métodos constructivos.
procedimientos de cálculo. recapitulación.
Para la comprobación de la estabilidad de un dique, los procedimientos usuales consisten en considerar una serie de curvas o rectas que definen presuntas líneas de deslizamiento. Estas se escogen intuitivamente, previendo las más desfavorables. Como la intuición de la más desfavorable es muy difícil, hay que tantear varias, hasta obtener la de mínima seguridad.
Las líneas de presunto deslizamiento se suelen poner curvas en materiales terrosos y rectas en escolleras o gravas. Las curvas suelen ser circulares, que son más sencillas y, además, tienen la ventaja de que las reacciones normales convergen en el centro, por lo que su resultante pasa por él.
Hay que analizar todas las formas posibles de deslizamiento, parciales o conjuntas y en todas las hipótesis de cargas. En estas comprobaciones no deben olvidarse las tensiones internas producidas por la presión intersticial, que puede provocar un deslizamiento del paramento agua arriba hacia el embalse. El método constructivo, el contenido en agua y los desniveles que puedan existir en ciertos momentos de la construcción entre distintas zonas del dique deben analizarse para evitar estos fallos que, en algunas presas, han sido graves.
En una presa de gravedad es posible fijar a priori los taludes, no así en una de tierras. El procedimiento habitual para fijar los taludes es tomarlos de otras presas similares y comprobarlos, y eventualmente, modificarlos después de los cálculos de estabilidad.
Los taludes de tierras varían entre 4:1 a 2:1. Con cimiento débil pueden ser aún más tendidos que 4:1; por el contrario, en apoyo de roca pueden ser más encrespados que 2:1.
elección de taludes en función del tipo de presa.
1.- Las presas de escollera con pantalla agua arriba y cimiento estables se proyectan con el criterio de que el talud agua arriba sea el del equilibrio del material. Este varía entre 1:7 (grava redondeada) y 1:2 (grava angulosa).
2.- En las de escollera con núcleo central sobre cimiento rocoso el talud agua arriba varía entre 1:8 y 1:6. El de agua abajo viene fijado por la estabilidad frente al empuje del agua siendo, como mínimo, 1:5.
3.- En presas de sección homogénea de grano fino los taludes han de ser tanto más suaves cuanto mayor es su altura; esto es porque la estabilidad depende del ángulo de rozamiento interno y de la cohesión; al aumentar la altura, las cargas aumentan con una ley más o menos cuadrática y lo mismo la componente estabilizadora debida al rozamiento, puesto que ésta es proporcional a la sección; por el contrario, la cohesión varía con la longitud de la línea de deslizamiento pésimo, que aumenta con la altura sólo linealmente. La consecuencia es que la cohesión influye más cuanto más baja sea la presa, por lo que las presas bajas pueden tener taludes más fuertes que las altas.
4.- En presas de núcleo delgado con espaldones permeables, los taludes son casi independientes de la altura. En ellas, los espaldones no tienen cohesión, por lo que el rozamiento es la única fuerza estabilizadora o, al menos, predominante. Los taludes dependerán de la influencia del núcleo en la estabilidad.
5.- Las presas con material diferenciado por zonas permiten taludes más fuertes que las homogéneas por dos motivos: el drenaje, que reduce la presión intersticial; y el poder disponer los materiales más resistentes donde los esfuerzos cortantes sean mayores.
taludes variables.
Dado un cierto coeficiente de seguridad al deslizamiento, el mínimo volumen se obtiene con paramentos de taludes variables; de suavidad creciente de arriba abajo. Esta ventaja resulta tanto más notoria cuanto más alta sea la presa, o cuanto más débil sea la cimentación. Se logra aumentar más rápidamente la longitud de una posible línea de deslizamiento que con un talud fijo, sin recargar innecesariamente la sección de la presa. Los taludes decrecientes son consecuencia del principio antes enunciado de que la influencia relativa de la cohesión va disminuyendo con la altura.
Los taludes poligonales deben considerarse en cuanto la altura supere los 30 m.
Hemos hablado de taludes que pueden ser menores que los naturales, estos se pueden obtener de dos formas.
1.- Con inclinación uniforme.
2.- Intercalando bermas.
Es difícil lograr que el talud quede uniforme con inclinación distinta de la natural. Pede conseguirse poniéndolo en capas delgadas. Con capas de 5 m. o más no es posible conseguir un talud no natural. En este caso puede sustituirse el talud teórico por uno escalonado con igual inclinación media; el material se coloca entonces sin dificultad, pues es horizontal, o tiene su talud natural. Es obvio, que de hacer escalones éstos deben dar como media el talud teórico.
En el talud agua arriba, si la piedra es relativamente pequeña, puede ser deseable poner talud uniforme para resistir mejor las olas y, en ese caso, habrá que prescindir del escalonado. Cuando la piedra es grande, pueden ponerse escalones con talud natural, pero es aconsejable echar grandes bloques al pie de los taludes, para protegerlos.
estabilidad de los espaldones.
Los espaldones constituyen los elementos estabilizantes de la presa, y el núcleo, el impermeabilizante.
En las presas con núcleo inclinado, casi todo el dique contribuye a la estabilidad frente al empuje del agua.
En las de núcleo vertical, sólo el espaldón agua abajo, contribuye a la estabilidad frente al empuje hidrostático. El de agua arriba es un elemento inerte para resistir este empuje. Su misión es sostener el núcleo por su lado de agua arriba.
En ambas, hay que impedir que el núcleo deslice hacia agua arriba. Esto se podría conseguir con una inclinación del núcleo que resulte estable, pero eso llevaría a un talud agua arriba tan tendido que daría lugar a un volumen de presa todavía mayor que el necesario para el núcleo vertical. Lo que hay que suavizar el paramento agua arriba, puede compensarse encrespando el de agua abajo, esto tiene un límite, que es el talud natural; y ese límite, unido al suavísimo talud necesario agua arriba, daría un volumen excesivo.
Por otra parte, conviene proteger el paramento agua arriba con piedra, para evitar la erosión del oleaje. Si esta piedra la aplicáramos directamente al núcleo, los finos de éste se saldrían por los huecos de aquella; es preciso interponer un filtro, y todo ello lleva a exigir un cierto espesor que viene a representar un espaldón más o menos reducido.
Cuando el núcleo está impregnado de agua y el embalse sufre un descenso relativamente rápido, la presión intersticial se encuentra desequilibrada respecto a la hidrostática y el núcleo tiende a deslizar hacia agua arriba. Este efecto es el que suele fijar la inclinación máxima del núcleo y el recubrimiento o espaldón necesario.
La mejor resistencia al empuje hidrostático hace que las presas de núcleo inclinado tengan un talud agua abajo más encrespado que las de núcleo vertical. A cambio, aquellas exigen un talud agua arriba más inclinado, para asegurar la estabilidad del núcleo, sobre todo ante un desembalse rápido.
material para espaldones.
El espaldón agua abajo conviene sea lo más permeable posible. El material ideal sería una escollera, pues es perfecta como dren y sus huecos son tan grandes que es difícil que lleguen a colmatarse.
Lo más frecuente es que en la ubicación de la presa haya graveras en el cauce, depósitos aluviales en las terrazas o morrenas glaciares. El inconveniente de estos depósitos suele ser que tienen finos en proporción suficiente para darles cierta impermeabilidad. Si ésta es importante, podría pensarse en hacer una presa uniforme.
Por otra parte, ya hemos dicho que las presas de cierta altura no conviene que sean de sección uniforme impermeable y, en cualquier caso, conviene poner drenes.
Para utilizar esos depósitos con espaldones, podrían eliminarse los finos mediante cribado, pero la operación suele ser costosa. Lo normal en estos casos es descomponer el espaldón en dos zonas, una que actúe propiamente de dren, y otra con los materiales tal y como se presentan. La parte permeable se pondrá junto al núcleo y en la parte baja formando una L; así podemos dar salida al agua que filtre el núcleo e incluso a la de imbición del espaldón por las lluvias. Aseguramos también que no se producen presiones intersticiales en el contacto con el cimiento, si este fuera impermeable; si, por el contrario, fuera permeable, el dren horizontal no sería ya necesario.
El resto del espaldón puede ya hacerse con el todo uno procedente de la gravera o depósito, sin clasificar.
Como complemento de esta disposición, será necesario poner un filtro entre el núcleo y el dren. Entre el todo uno y el dren habrá que poner o no un filtro según que se cumplan entre ellos las condiciones que luego veremos.
Respecto al espaldón agua arriba, como su estabilidad crítica es para desembalse rápido, conviene poner el material permeable próximo al paramento, para que drene, y usar el todo uno en la parte próxima al núcleo. La parte permeable deberá tener en la superficie elementos del grueso suficiente para poder resistir el efecto del oleaje.
compactación de espaldones.
Su compactación viene obligada por dos motivos: obtener la máxima resistencia y evitar asientos que perturbarían aquella. Esta operación significa sólo un aumento del costo relativamente reducido, 5% o poco más.
Para compactar grandes superficies se usan rodillos. En la zona próxima a los bordes del terreno o de una obra de fábrica se usan pisones. Los rodillos pueden ser de pata de cabra, o neumáticos.
El primero concentra la presión en poca superficie y se hunde mucho, con lo que la capa superior queda muy removida. Eso contribuye a soldar perfectamente una capa con la adyacente. El neumático deja la superficie muy lisa, lo que exige un escarificado previo a la extensión de la capa siguiente, y a pesar de ello no quedan tan trabados como con la pata de cabra, en cambio, esto tiene la ventaja de evitar el encharcamiento que se origina en una capa revuelta con fuerte lluvia.
El rodillo de pata de cabra suele trabajar con tongadas que tengan unos 20 cm., como máximo después de compactadas. El neumático trabaja con capas un 50% más gruesas y precisa menor número de pasadas para la misma compacidad. Otra ventaja del pata de cabra es que rompe los terrones e incluso trozos pétreos de poca consistencia, pero otro inconveniente es que tiene menor tolerancia frente a las variaciones del contenido de humedad.
Con gravas y arenas va mejor el neumático; con materiales con una importante proporción de piedras resistentes la pata de cabra actúa con menos eficacia y se desgasta mucho.
Para espaldones de escollera o material granular, lo mejor es el rodillo vibrante. Además del rodillo, se utiliza un lanzador de agua cuya misión es lavar las partículas sueltas y ayudar a desprenderse los trozos débiles. El agua, además, actúa de lubricante, facilitando que los áridos se encajen bien unos con otros alejando la tendencia a moverse después y producir asientos.
Estos se constituyen con los elementos más finos e impermeables. Es conveniente que haya una cierta proporción de materiales granulares, para que el núcleo no sea excesivamente plástico. Esto rebaja las presiones intersticiales durante la construcción y da mayor estabilidad y resistencia al corte.
La compactación del núcleo tiene una faceta fundamental respecto a la de los espaldones. En estos lo que se pretende es una densidad óptima, para la estabilidad; en los núcleos también se desea esto, pero aún más la impermeabilidad. Los núcleos arcillosos son muy sensibles al contenido de humedad.
En la compactación de núcleos podemos aplicar los mismos principios comentados al hablar de los espaldones. Aunque en algún caso pudiera ser mejor utilizar un sistema para el núcleo y otro para los espaldones, se prefiere emplear las mismas máquinas para toda la presa.
La misión del filtro es permitir el paso de agua impidiendo, al propio tiempo, el de las partículas finas que pudieran ser arrastradas por aquella. Los huecos deben ser suficientemente pequeños para no dejar pasar los finos.
El filtro ideal es el constituido por varias capas de materiales gradualmente crecientes en tamaño. La primera capa, adyacente al núcleo debe ser tal, que el tamaño de sus huecos sea menor que el de las partículas del núcleo y así no dejará pasar las partículas pero si el agua. De igual forma, cada capa debe tener huecos menores que las partículas de la capa anterior, hasta llegar a una cuyo tamaño granular sea mayor que los huecos del espaldón.
Este filtro ideal es factible, pero resulta difícil de ejecutar.
Un filtro por capas tiene gran peligro de mezcla de ellas por el paso de las máquinas. Esto se podría evitar haciendo cada capa sobreabundantemente gruesa para que los posibles movimientos dejen siempre inalterado un espesor suficiente.
Es preferible hacer filtros de materiales heterogéneos pero mezclados de forma homogénea y constituyendo un conjunto que cumpla las dos condiciones exigidas.
Para la ejecución de estos filtros, las reglas siguientes son de uso general y dan buen resultado:
1.- El tamaño D15 del filtro debe ser, por lo menos, cinco veces el tamaño D15 del suelo que se desea proteger.
2.- El tamaño D15 del filtro no debe ser mayor que cinco veces el tamaño D85 del suelo a proteger.
3.- La curva granulométrica del filtro debe tener, en líneas generales una forma parecida a la del suelo.
4.- Si el suelo contiene un porcentaje elevado de gravas, se hará su curva granulométrica tomando sólo el material que pasa por el tamiz de una pulgada.
5.- El filtro no debe tener más que alrededor del 5% de finos que pasen el tamiz 200.
Las condiciones 1, 2 y 5, previa la limitación expresada en 4, pueden expresarse así:
Estas condiciones son conservadoras. Si con los materiales disponibles no se cumplen bien las condiciones y se requieren volúmenes importantes de filtros, el único camino es hacer ensayos para ver como se pueden obtener con aquellos la doble función encomendada al filtro.
Hay que tener en cuenta que cuanto más delgado sea el filtro, tanto más exigentes debemos ser. En cambio en filtros con amplias dimensiones, la tolerancia es mayor. Por eso se prefiere, normalmente, hacerlos anchos para ganar seguridad y facilitar la ejecución.
El paramento agua abajo necesita protección contra las lluvias y el viento. Si la presa es de escollera, ya está protegida; si es de “todo uno”, podría dejarse sin protección si hay abundancia de elementos gruesos, o cubrir el paramento con éstos. En muchos casos se cubre el paramento con una capa de tepes de hierba.
Hay que proteger especialmente las líneas de contacto del dique con las laderas, pues son vía natural de concentración de las aguas de lluvia. Se suelen hacer cunetas amplias con piedra u hormigón.
Las banquetas se pueden dejar sin tepes, cubiertas de grava. En la banqueta, al pie de cada talud de tepes, conviene poner una cuneta para recoger el agua y llevarla a una recogida general, pero debe hacerse con hormigón, pues sino, la concentración de agua en ella puede dar efectos contraproducentes a la estabilidad del talud.
El paramento agua arriba ha de protegerse contra la acción del oleaje. Lo normal es echar sobre el talud una capa de piedra gruesa que sea estable frente a las obras resultantes, calculadas a partir del fetch. Conviene poner una capa de filtro entre las piedras gruesas y el espaldón con objeto de impedir el arrastre de partículas al retirarse la ola o al bajar el caudal bruscamente.
No se suelen usar banquetas agua arriba, pero hay algunas opiniones favorables a ellas pues sirven de accesos durante la construcción y para revisiones en plena explotación. En cualquier caso es recomendable hacer una buena berma al pie de la escollera para evitar erosión al pie de ésta cuando caiga el agua de reflujo de la ola estando bajo el embalse, y da también un mayor margen de seguridad frente a los movimientos de la escollera o del espaldón.
Para completar la protección contra el oleaje y contra sobreelevaciones imprevistas del embalse, se deja un resguardo entre el nivel máximo alcanzable en crecidas y la coronación. En las presas de material suelto el margen ha de ser mayor, como consecuencia de su mayor vulnerabilidad a las olas y, sobre todo, al vertido de agua sobre su coronación.
Según la Instrucción:
“En este tipo de presas es fundamental evitar cualquier riesgo de vertido sobre la coronación. No se admite en principio la colocación de aliviaderos de ningún tipo sobre el cuerpo de la presa, siendo precisa, en caso contrario, una especial justificación, tanto de la necesidad de la solución como de la eficacia de las disposiciones proyectadas para evitar toda inseguridad en la obra.”
Hasta hace relativamente poco se tenía por norma absoluta la imposibilidad de vertido por encima de estas presas, pero afortunadas experiencias en algunas han conducido a un cambio de actitud mental. Las principales experiencias han sido en ataguías.
Hoy día tiende a evolucionar la idea de las presas de material suelto en cuanto a la posibilidad de vertido. Por el momento, esta tolerancia sólo se tiene en muy pocas de ellas y siempre con una protección especial y con láminas de poca altura.
cimientos permeables o inconsistentes.
Una de las causas más decisivas para elegir una presa de materiales sueltos es que el terreno de asiento sea permeable o poco resistente en una profundidad no despreciable. Es obvio que una presa de fábrica habría que llevarla hasta roca firme como si no existieran los acarreos, peor aún, porque aunque son como inexistentes a efectos de resistencia, existen realmente y hay que excavarlos, lo que es un coste adicional. En este caso, la presa de gravedad sería rechazable casi con seguridad, la bóveda, exige menos excavación y menos suplemento de volumen de hormigón, pero muy probablemente no podrá compararse con la de materiales sueltos, que tiene la ventaja de que , por estar constituida con materiales análogos en consistencia a los de apoyo, sólo habrá que prolongar el núcleo hasta ella a los efectos de impermeabilidad.
Si en vez de acarreos el terreno fuera de arcilla o limos impermeables desde poca profundidad la ventaja de la presa de materiales sueltos se acrecentaría, pues sólo tendría que bajar hasta penetrar bien en la zona impermeable, mientras que los otros tipos tendrían que llegar forzosamente a la roca. Y si ésta no existiese prácticamente entonces no habría siquiera motivo de comparación.
La prolongación del núcleo se hará adelgazándose hacia abajo, o con ancho constante y paredes verticales. A mejor material, más delgado será el núcleo, pero puede ser más económico un núcleo constituido con materiales menos selectos aunque tenga que ser más grueso.
La obra en los acarreos es totalmente distinta y no es susceptible de organizarse en grandes masas, sino que exige una ejecución más difícil y lenta; la consecuencia es que la obra penetrando en los acarreos es muy directamente dependiente del volumen, que conviene reducir al mínimo, en general, con la consecuencia de que entonces, para lograr la economía, puede convenir afinar el material para tener menor ancho.
El caso extremo de esto es cuando la profundidad de los acarreos es muy grande y resultaría muy difícil y costoso excavar una zanja tan profunda. Entonces, será forzoso hacer una pantalla impermeabilizadora con inyecciones.
La pantalla puede realizarse de distintas maneras, una es ir excavando una zanja por diversos procedimientos, y según se profundiza, se va sustituyendo el material excavado por lodos bentoníticos, con lo cual el terreno va quedando contenido por éstos y no se desmorona. La pantalla puede quedar así, o incluso hacerse con hormigón; en este caso, se inyecta después el hormigón, que va desplazando a los lodos hasta rellenar por completo la zanja.
Gracias a estos y otros procedimientos se pueden hoy acometer algunas presas con enormes profundidades de impermeabilización.
Cuando hay que realizar pantalla es aconsejable disponer una galería a lo largo de la unión del núcleo del dique con el cauce. Su objeto es poder vigilar el comportamiento de impermeabilización y poder realizar más fácilmente cualquier inyección de refuerzo que fuera necesaria. De no existir la galería, cualquier refuerzo de la pantalla por medio de inyecciones habría que acometerla desde coronación, para núcleo vertical; o desde el pie del núcleo, cuando éste es inclinado. En el primer caso tendríamos el exceso de perforación consiguiente a la altura de la presa, aparte de una mayor dificultad de control debido a esa mayor longitud. Y en el caso de núcleo inclinado, el inyectar al pie, exige vaciar el embalse o, por lo menos, esperar a que esté bajo.
obras de toma y desagüe.
En las presas de material suelto se evita, en lo posible, que las tuberías de una central eléctrica, las de desagüe de fondo o las tomas para riego o abastecimiento, atraviesen la presa, por las siguientes razones.
1.- El contacto entre la tubería y el material térreo es imperfecto, por lo que a lo largo de él es muy probable se produzca una fuga de agua.
2.- La rigidez de la tubería representa una discontinuidad en medio del material del dique, tanto en el núcleo como en los espaldones, lo que puede provocar asientos diferenciales. Esos asientos pueden traducirse en grietas que podrían dar lugar a corrimientos en los espaldones y fugas en el núcleo.
3.- Si la tubería llevase agua a presión, a esos defectos y peligros se añadirían los de las posibles fugas por agrietamiento de la tubería, fallo de sus juntas, etc., todo ello muy posible, al estar asentada en terreno blando.
Por todo, se precisa llevar las tuberías fuera del cuerpo de estas presas, sea en túnel o a través de alguna obra de fábrica; si por alguna razón se decidiese atravesar la presa con alguna tubería en presión, ésta no debe ir en contacto directo con el dique, al menos en su zona impermeable, sino dentro de una galería visitable, que deberá ir armada para resistir las presiones exteriores.
Para evitar al paso del agua por el contacto entre la galería y el núcleo, se deben poner unos nervios salientes que obliguen al agua a seguir un largo recorrido, disminuyendo así el gradiente y la velocidad de fuga. La distancia entre cada dos nervios ha de ser al menos el doble de su saliente. La sección de los nervios debe ser trapecial y no rectangular, con la base más ancha en el arranque de la galería, para suavizar el ángulo entrante y evitar que el material térreo quedase mal apisonado.
Además, se debe asegurar bien la compactación de las tierras alrededor de la galería, a cuyo efecto los paramentos exteriores de ésta no tendrán desplomes ni serán verticales, pues la compresión contra una pared vertical y, más aún, en desplome, es muy dudosa, pues falta la componente vertical.
Para paliar, en lo posible, el desfavorable efecto de la galería, conviene poner ésta pegada a uno de los estribos si éste es de roca, con lo que la discontinuidad se reduce, pues parte de la galería queda unida a la roca.
El defecto fundamental de la pantalla de hormigón es la gran diferencia de deformabilidad entre ella y el material del dique. Este es muy deformable y susceptible de asientos. Si éstos son de cierta entidad, la pantalla no puede seguirlos y queda sin apoyo en ciertas zonas, lo que puede conducir al agrietamiento o rotura. Si ésta se hace muy gruesa, resiste más, pero es menos flexible y acusa antes cualquier asiento del dique. En general, se tiende ha hacer placas no muy gruesas, pero al reducir el espesor se disminuye también la resistencia, es lo que se tiende a hacer, influyendo también el coste que aumenta con el espesor. Para mayor seguridad, las placas se arman con armadura doble, pues no podemos predecir cómo van a ir apoyadas y, por tanto, desconocemos el sentido de los momentos flectores solicitantes.
La pantalla, en realidad, viene constituida por placas en forma de cuadrilátero o triángulo, con objeto de facilitar su adaptación ante posibles asientos del dique. Las juntas entre placas se impermeabilizan por medio de chapas onduladas de cobre o polivinilo, o con algún producto bituminoso. Lo esencial es que las juntas permitan el movimiento relativo entre placas y sean impermeables.
Cuanto menores sean las dimensiones de las placas, tanto más flexible y adaptable será la pantalla, pero tanto mayor será el número y longitud de las juntas (son caras). Lo normal es hacer placas de unos 10 o 12 m. de longitud paralela al talud y de nos 8 a 10 m. en horizontal, con espesores de 20 a 60 cm. según la altura de la presa y la distancia entre juntas, pudiendo ir aumentando de arriba abajo.
Este tipo de pantalla no se usa más qu cuando los estribos son rocosos, pues si son de tierra habría que prolongar la pantalla bastante en horizontal dentro de ellos.
Siendo los estribos poco deformables, la pantalla tiene en ellos desplazamientos nulos o mínimos, mientras que los máximos se sitúan en el centro y en la coronación.
Lo que se suele hacer es disponer placas rectangulares en la mayor parte de la superficie, y hacer irregulares las de los bordes o acoplar los rectángulos con triángulos.
pantallas bituminosas.
El principio funcional de éstas es idéntico al de las de hormigón, pero con la gran ventaja de que el material, además de impermeable, es extraordinariamente flexible. Se acopla muy bien a los asientos y es mucho más fácil y rápida de construir y reparar que las de hormigón, además, si ocurre una grieta, esta puede cerrarse por si sola, gracias a la plasticidad del material.
Los materiales deben poder pasar del contacto por el agua a la acción del aire y del sol, además de resistir fuertes presiones sin fluir lateralmente.
El material suele ser hormigón asfáltico, con n árido de gradación entre unos 25 mm. como máximo y arena fina, con un 10% aproximadamente, en peso, de filler que no pase por el tamiz nº 200. El ligante usado suele ser asfalto puro (8-10% del peso del árido). La mezcla y compactación se hace en caliente. El contenido óptimo del aire parece ser del 2-3%.
La pantalla suele hacerse en varias capas, con un espesor de 30-50 cm., y ha de apoyarse en una superficie plana de hormigón poroso o asfáltico. El apisonado se hace con rodillos movidos desde la coronación.
El talud agua arriba debe ser, a lo sumo, de 1,3:1. Con taludes más fuertes la pantalla no tiene suficiente estabilidad.
Tanto con pantalla bituminosa como con la de hormigón, el resto del dique ha de ser estable durante la construcción, con embalse vacío y para el empuje del agua a cualquier altura.
Al pie de la pantalla debe ponerse una galería de control. En presas hechas con escollera o gravas, sin finos, el drenaje es automático y no se requieren las precauciones citadas.
aliviaderos; FIJACIÓN de características.
El aliviadero es la obra más propiamente hidráulica de la presa. Su función estructural respecto al agua es puramente pasiva, de resistencia. Gracias a ella, se consigue la elevación de su nivel natural y su almacenamiento. Su misión es, pues, derivar y transportar el agua sobrante, anulando o reduciendo su energía al reintegrarla nuevamente al cauce para evitar perjuicios a la propia presa y a los bienes y personas situados aguas abajo. En los aliviaderos se presentan prácticamente todos los problemas de la hidráulica.
El aliviadero, con sus exigencias funcionales y de espacio, influye y hasta condiciona la estructura resistente, motivando muchas veces la elección de su tipo.
Para concebir y proyectar los aliviaderos de una presa hay que plantearse cuatro problemas fundamentales:
Crecida máxima previsible.
Características del conjunto embalse-aliviadero-cauce aguas abajo más adecuadas para hacer frente a dicha crecida máxima y a otras más frecuentes.
Reparto de caudales a evacuar entre los distintos aliviaderos (superficie, fondo y medio fondo).
Tipo de cada uno de estos aliviaderos.
Estos problemas son de planteamiento esencial y afectan a la concepción misma de los aliviaderos. Una vez fijadas estas características fundamentales, hay que proyectar los diversos aliviaderos.
No debe elegirse la estructura de la presa sin tener en cuenta el aliviadero, tampoco puede decidirse éste olvidando su posible influencia en la estructura. El conjunto es único y, en gran parte de los casos, indivisible. Una buena concepción conjunta dará mayor economía.
evaluación de la crecida máxima.
Este es el tema fundamental de un aliviadero; por una parte, las dimensiones y el coste dependen directamente de la crecida a evacuar e incluso pueden llevar a modificar el tipo de presa; y, por otra, la determinación de esa crecida suele ser la más incierta de todas las decisiones que tenemos que tomar al proyectar una presa.
Una crecida catastrófica puede venir en cualquier momento de la vida de la presa. Ante la poca certidumbre en la evaluación de una magnitud tan importante, debemos tomar un razonable margen de seguridad para tener una amplia garantía de que las crecidas que se presenten no afectarán a la seguridad de la presa, ni causarán al resto del cauce perjuicios suplementarios sobre los que hubiera tenido sin existir la presa ni su aliviadero.
Un aliviadero con capacidad insuficiente para derivar una avenida, hará que el caudal excedente vierta sobre la presa o por algún punto más bajo del embalse pudiendo producir, si eso no está previsto, graves daños e, incluso, la destrucción de la obra.
La evaluación de la crecida máxima se puede hacer por los siguientes métodos:
Los métodos históricos no bastan por sí mismos, pues al conocer que ya se ha dado en la historia una cierta crecida, hemos de prever que puede venir otra mayor. En cualquier caso, resulta imprescindible como comprobación de los otros métodos.
Dada la dificultad del problema, es preciso acudir a más de un método. Así, entre varios, tendremos más garantías de acierto en una evaluación tan difícil.
Para fijar la capacidad de un aliviadero, lo primero que hay que conocer, en un período lo más extenso posible, es la crecida máxima que ya se ha dado. Al mismo tiempo, conviene saber que otras crecidas menores han ocurrido y con que frecuencia.
La dificultad del estudio histórico tiene dos vertientes: en primer lugar la carencia de datos o insuficiencia de ellos; en segundo lugar, la estimación numérica de la avenida basada en esos datos, que suelen ser niveles y no caudales.
De un período contemporáneo se suelen tener datos bastante ciertos. Estos pueden ser:
Los aforos de una estación fidedigna en el mismo río. Aunque el aforo sea en otro punto distinto al de la presa.
Aforos de una cuenca próxima de características similares. Estableciendo una correlación se pueden conocer las crecidas y sus frecuencias.
En cualquier caso, dispondremos siempre de lectura de escala o, por lo menos, de datos ciertos sobre niveles alcanzados por el agua en varios sitios durante la crecida máxima. Estos niveles pueden conocerse por marcas de humedad, barro o vegetales flotantes, etc.; y por referencias de testigos, siempre con precaución ya que las crecidas, por su espectacularidad, mueven a la exageración.
Más difícil resulta disponer de datos de un período lejano; sólo podemos recurrir a testimonios escritos, si es que existen. Pero estos testimonios son puramente literarios y no científicos, y hay que someterlos a la crítica para saber si hay o no exageración.
De una manera u otra, tendremos más o menos datos sobre crecidas históricas. Lo más que nos darán serán los niveles alcanzados en esas crecidas; a partir de ellos ha de elaborarse un cálculo para estimar el caudal, cosa nada fácil. Se presentan las siguientes dificultades:
La sección transversal del río puede haber variado, sobre todo si han pasado siglos. Es preciso analizar la tendencia del cauce y completar en lo posible, los datos históricos, para colegir en que sentido puede haber variado dicho cauce.
Aún conocida la sección transversal, se plantea el problema de saber la velocidad media en esa sección. No sabemos si la pendiente del cauce ha variado en el tiempo; además, en ese tramo el régimen puede no haber sido uniforme, por lo que tendrán que hacerse una serie de estimaciones con distintas hipótesis.
Dentro de las hipótesis más probables, tomaremos como buenos los caudales más altos; y si no pudiéramos eliminar algunas hipótesis exageradas, tomaríamos los resultados más altos, para mayor seguridad.
Elementos importantes para ayudar en estas evaluaciones son los puentes antiguos, que muchas veces nos ayudan a deducir qué niveles y caudales ha habido desde su construcción.
aplicación de las evaluaciones a un aliviadero concreto.
Hay una serie de razones que nos ayudarán a centrar las dimensiones. Los aliviaderos pueden proyectarse para una cierta crecida, pero con dispositivos que permitan pasar otra superior, si llegara a presentarse, con cuya elasticidad quedamos tranquilos respecto a su funcionamiento.
Una razón de bastante peso, que centra las dimensiones, es la proporción entre el tamaño del cauce y el de la obra del aliviadero. El cauce se ha formado a lo largo de la historia de varios siglos y no hay mejor reseña histórica que el propio cauce, porque éste no se ha logrado por la erosión continuada de los caudales normales en esa larga historia, sino por la erosión esporádica, pero brutal, de las grandes crecidas. Son éstas las que amoldan el cauce a la necesidad de su evacuación; y cuando viene una superior a todas las anteriores, al no “caber” en el cauce, lo erosiona y ensancha, y así sucesivamente, hasta que venga una aún mayor. De forma que el cauce de un río, es un testigo de lo que ha hecho la crecida máxima hasta la fecha. Por ello, si al evaluar la capacidad del aliviadero nos pasáramos y la obra no cupiera en el cauce, ello sería indicio de que nuestra evaluación habría sido exagerada, y deberíamos reconsiderar nuestros cálculos y criterios.
El quedarse corto en la evaluación es muy peligroso, pues si viene una crecida mayor, y no puede pasar por el aliviadero, saldrá por donde pueda, probablemente vertiendo sobre la presa, o por algún collado bajo del embalse, con posibilidad de erosión y quizá vaciado de aquel. Pero el pasarnos en las dimensiones del aliviadero conduce a un exceso de coste innecesario y, además, lo que es aún peor, puede llevar a que por una falsa maniobra, equivocación avería, sabotaje, etc., se abran las compuertas del aliviadero y se provoque una crecida mayor que la que ha llevado el cauce, provocando erosiones en él y quizás grandes daños a los usuarios aguas abajo. Esto nos plantea una faceta que hay que analizar ya que es de suma importancia. Y para ello vamos a analizar la influencia que la forma de la derivación del aliviadero tiene sobre la evacuación de caudales.
aliviaderos de labio fijo.
Tiene un efecto amortiguador o laminador de la crecida. Gracias a él, la punta de la avenida disminuye, la curva de ésta se aplana, se hace menos peligrosa, pero a cambio se alarga y, al bajar los caudales del río, el aliviadero da unos algo mayores, hasta que poco a poco se van igualando.
Con un aliviadero de labio fijo no pueden provocarse caudales superiores a los que hubiera dado el río, su funcionamiento es automático y aplanador de la onda de crecida.
La ventaja de este tipo de toma es que nos despreocupamos de su funcionamiento, el solo se ocupa de verter cuando es necesario y, además, colabora en moderar la avenida. En cambio tiene el inconveniente contrario: no podemos actuar con anticipación a la avenida desaguando por el aliviadero para impedir que el agua alcance una cierta cota o para crear un volumen vacío de embalse que amortigüe aún más la crecida.
aliviaderos con compuertas.
Si queremos gobernar a voluntad el desagüe del aliviadero y controlar el nivel del embalse, tenemos que poner unas compuertas en la toma. Estas pueden dar paso al agua por encima (compuertas de sector), o por debajo. En este caso las compuertas pueden ser de segmento o planas; estas últimas con diversos sistemas de movimiento.
Todas estas compuertas pueden moverse a voluntad o por medio de un mecanismo automático.
Las compuertas pueden estar cerradas o abiertas, parcial o totalmente. Gracias a esto podemos desaguar por ellas el caudal que deseemos y bajar o subir el nivel del embalse según desagüemos un caudal superior o inferior al que entre en él. Esto puede ser importante o incluso fundamental, cuando hay agua arriba de la presa una población, vía de comunicación...
elección del tipo de toma.
En el caso de vertederos con toma de labio fijo, el embalse normal viene fijado por el umbral ya que, en cuanto suba el agua por encima de él verterá, y no podrá retenerse. En cambio con una compuerta, podemos utilizar el embalse comprendido entre el umbral y la cota límite a voluntad y normalmente, porque cuando haya caudales excedentes basta abrir más o menos las compuertas.
¿Por qué, entonces, no se usan siempre compuertas si llevan a una ganancia de embalse? Pues porque hay casos en los que puede estar indicado un labio fijo o al menos, no estar tan clara la decisión como son los siguientes:
A veces no es tan absoluta la necesidad de mantener el agua por debajo de un cierto nivel. En estos casos, puede bastar que el embalse normal esté a una cierta cota y permitir accidentalmente una sobreelevación que no afecta a propiedades y que sólo produce mayor carga sobre la presa.
Puede conseguirse reducir a un mínimo el embalse perdido con un labio fijo alargando suficientemente el vertedero para que, correlativamente, la lámina se haga menor para el caudal límite.
En materiales sueltos, si hay avería en una o más compuertas y eso llevase a verter el agua por encima de la presa, ésta podría desintegrarse por la erosión.
Lo mismo ocurre en los pequeños embalses situados en cuencas de corta superficie, en los que la inercia superficial es casi nula y una lluvia súbita puede formar una crecida casi sin dar lugar a verificar la maniobra de las compuertas. Y también en presas en lugares de cierta dificultad de acceso. En estos casos puede ser casi obligado el labio fijo para evitar mantener un servidor de las compuertas y las dificultades de su reparación.
Por último, hay casos intermedios en los que la elección es puramente económica.
La gran ventaja de las compuertas que es la posibilidad que dan para evacuar caudales cuando se considere conveniente, se puede convertir en un grave defecto, si esta facultad no se usa bien.
influencia del tipo de conducción.
La conducción de un aliviadero puede ser:
En lámina libre (sin presión).
En presión.
Dentro del primer tipo podemos incluir los vertederos sobre la presa, ya que en esos casos ésta actúa como canal.
Una conducción en lámina libre tiene una gran flexibilidad para admitir caudales superiores al nominal, pues basta que la lámina de agua suba para que el desagüe aumente. Por tanto, si llegara a producirse una crecida superior a la máxima estimada, lo único que pasaría es que aumentaría consiguientemente el espesor de la lámina en el canal; si hay resguardo suficiente -como es lo normal- no se llegaría a producir vertido, pero si el resguardo no bastase, se produciría un desborde lateral que es muy probable no tenga gran importancia ni haga daños notables.
Si la conducción fuera en túnel, éste suele llevar también un cierto resguardo, pero en este caso el margen tiene un límite, pues a partir de una cierta altura, la sección de aire que queda es insuficiente para ventilar y la menor oscilación del nivel puede obstruir el paso del aire y poner el túnel en presión. A partir de ese momento el túnel funciona mal, con intermitencias, y si la altura de lámina siguiese aumentando, se pondría definitivamente en presión.
El túnel en presión es un sistema muy rígido, pues sólo sirve para una gama de caudales relativamente estrecha. Esto hace que su uso sea condicionado a que se empleen simultáneamente con otro u otros aliviaderos de funcionamiento más elástico.
normas para fijar las características de un aliviadero.
Para el cálculo de las características básicas de un aliviadero, vamos a seguir la Instrucción.
Estas características serán caudal máximo nominal, margen de caudal y nivel de embalse, tipo genérico del aliviadero, etc.
Vemos a continuación los artículos de la Instrucción que nos interesan:
Habrá de incluirse en el proyecto una recopilación de datos históricos. El estudio no deberá limitarse a los caudales, sino a sus causas determinantes (precipitaciones, escorrentía, fisiografía...).
Habla de la necesidad de establecer la correlación entre caudales máximos anuales y períodos de recurrencia por varios métodos.
Artículo 14.7.
A efectos de la capacidad del sistema de desagüe (art.18), se denominará “avenida máxima” aquella cuyo período de recurrencia sea de 500 años. A los mismos efectos, llamaremos “avenida normal” a aquella cuyo período de recurrencia sea como máximo 50 años, pero calculada siempre con vistas a no alterar, de modo esencial, la condición de riesgo preexistente. Podrá ser mayor en el caso de que inmediatamente aguas abajo del emplazamiento de la presa existiera un embalse de capacidad suficiente para laminar la avenida prevista, o por otras circunstancias que se justificarán debidamente.
Artículo 18.2.
En todo caso deberán cumplirse las siguientes condiciones:
La suma de los caudales que puedan ser evacuados por todos los dispositivos sujetos a control, con el embalse a su máximo nivel normal, no será superior al caudal de la avenida normal.
Cuando todos los dispositivos de desagüe sean de lámina libre, o bien se proyecten estos unidos a desagües controlados por compuertas, será preciso que la altura de la presa asegure un resguardo que permita la evacuación del caudal de avenida máxima.
Artículo 18.3.
Se considerará la posibilidad de reducir el riesgo agua abajo de la presa mediante el resguardo del embalse, aliviaderos de sección acotada u otros medios cualesquiera, y prever su repercusión económica en la rentabilidad de la obra.
Artículo 18.4.
Ninguno de los desagües puede dar lugar a erosiones que puedan poner en peligro la estabilidad de la presa.
Artículo 18.5.
Se recomienda el modelo reducido hidráulico cuando se trate simplemente de formas sancionadas por la práctica, siendo obligatorio cuando existan circunstancias especiales.
influencia del tipo y nº de compuertas.
El artículo 19 de la Instrucción, completa las condiciones que deben reunir los aliviaderos de superficie. Vamos a ver las ideas fundamentales:
Artículo 19.2.
Los aliviaderos dotados de compuertas estarán divididos, al menos, en dos vanos (en caso de avería, con un vano no tendríamos defensa ante una avenida).
Artículo 19.3.
Las compuertas de los aliviaderos deberán poderse maniobrar con energía procedente de dos fuentes distintas y accionarse también a mano.
Artículo 19.4.
Si se instalan compuertas automáticas, el número de las mismas no podrá exceder de la mitad del total de las proyectadas. Deberán estar provistas de dispositivos que les permitan comprobar su automatismo sea cualquiera el nivel del embalse.
Artículo 19.5.
El estudio del desagüe de una avenida cuyo período de recurrencia no sea inferior a 100 años, será preceptivo para el caso en que esté averiada y cerrada una de las compuertas del aliviadero. Para esta circunstancia se tendrá en cuenta:
El efecto laminador del embalse entre los niveles máximos, normal y de crecidas.
El caudal evacuado sobre la compuerta averiada.
Los caudales que puedan evacuarse por otros órganos de desagüe hasta el límite con el que pueda garantizarse su funcionamiento, de acuerdo con el nivel del embalse.
También se podrá considerar la posibilidad de incrementar la capacidad de desagüe por sistemas de emergencia.
efectos de una sobreelevación de nivel en una presa.
Al aumentar el nivel de la presa, el empuje se aumenta.
En presas de gravedad (macizas o aligeradas), este aumento del empuje puede ser importante, pues su estabilidad al deslizamiento disminuye con el empuje. Y la elevación del punto de aplicación puede afectar también a la resistencia, pues el aumento del par de vuelco puede conducir a que la resultante se salga del núcleo central y aparezcan tracciones.
Por ello, las presas de gravedad son muy sensibles a la sobreelevación del nivel y, en ellas, se trata de restringirlo en lo posible, para evitar un defecto de resistencia o un exceso de coste.
Las presas arco, aunque no dejan de acusar el aumento del empuje, son menos sensibles a él, pues los arcos ven aumentada su presión, pero no tanto la distribución de esfuerzos como en las de gravedad. Salvo los arcos superiores, el resto de la estructura admite mejor el incremento del empuje.
En cualquier caso, hay que calcular la estructura para el nivel máximo alcanzable, aunque sea en circunstancias extraordinarias, pues la seguridad de la presa no se puede arriesgar ni en esos casos remotos y extremos. Pero la Instrucción, como ya sabemos, admite que en esos casos sean menores los coeficientes de seguridad.
presas vertedero.
La presa suele ser una obra de gran volumen, por lo que no es extraño que se piense en utilizarla también como aliviadero, uniendo las dos funciones y ahorrando el coste de construcción de un aliviadero independiente.
Hoy día, se decide un vertido sobre la presa o un aliviadero lateral por consideraciones de tipo fundamentalmente económico, y éste lleva, en general, al siguiente resumen estadístico:
La casi totalidad de las presas de gravedad macizas se construyen como vertederos.
En las aligeradas, algunas (menos del 50%) vierten sobre los contrafuertes o sobre un paramento que cubre los contrafuertes.
La mayor parte de las bóvedas exigen aliviadero aparte.
Las presas de materiales sueltos exigen en general aliviadero independiente.
esquema funcional de una presa vertedero.
El vertido sobre una presa puede hacerse de dos formas:
Con lámina adherida al paramento.
Con lámina despegada.
El primero es el usado casi sin excepción en presas de gravedad o arco-gravedad. El segundo, se usa en presas bóvedas casi exclusivamente. Los incipientes ensayos en presas de materiales sueltos, son siempre de lámina adherida.
El vertido con lámina adherida tiene, como todos los aliviaderos tres partes: toma, conducción y reintegro al río, estando reducida la conducción al tramo de paramento de la presa. El reintegro al río suele hacerse, salvo excepciones, por medio de un colchón al pie de la presa, para amortiguar con un resalto la energía de caída. Sólo en casos muy contados el agua se lanza en trampolín, técnica ésta más propia de aliviaderos independientes que, al contrario, es raro usen el resalto. Por esto las técnicas del reintegro al río están bien diferenciadas: colchón amortiguador en presas vertederos, y trampolín para aliviaderos diferenciados.
En el caso de un vertido despegado, el aliviadero queda reducido a una toma, y el reintegro consiste en un lanzamiento libre que no es un trampolín, sino una caída con un perfil parabólico.
perfil del vertedero.
En un vertedero de pared delgada, la lámina se despega francamente y tanto su filete superior, como el inferior están a la presión atmosférica. Luego si construyésemos un vertedero grueso cuyo paramento tuviera un perfil coincidente con la forma del filete líquido inferior del vertedero de pared delgada, la lámina ejercería una presión nula sobre el hormigón.
La presión nula es difícil de mantener continuamente pues cualquier vibración, onda o discontinuidad puede dar una variación accidental que se traducirá en depresión. Por ello es mejor asegurar que hay siempre una presión positiva remanente sobre la solera, lo que se logra con el llamado perfil Creager. Mientras no se advierta lo contrario, todos los vertidos se hacen con esta norma. Este perfil, depende de la altura de lámina sobre el umbral.
La lámina debe ponerse igual a la máxima previsible, pero no hay que preocuparse demasiado de la posibilidad de que la lámina llegue a ser superior a la prevista, pues todo lo que ocurrirá es que la presión de la lámina será menor; incluso si llegara a ser negativa no lo será mucho y, además, tratándose de una circunstancia eventual y extrema e imprevista, no pasa nada porque haya una ligera Depresión durante un tiempo corto.
desagües profundos.
Además del aliviadero de superficie, la presa debe tener otros desagües a ciertas profundidades. Llamaremos desagües profundos a aquellos que tengan su umbral más bajo que el umbral del aliviadero de superficie.
Estos desagües se llaman de fondo cuando son muy profundos, e intermedios o de medio fondo los que están más bajos que el aliviadero de superficie pero más altos que las tomas.
funciones del desagüe de fondo.
1.- Permitir bajar el nivel del embalse por debajo de las tomas de explotación por las razones que luego veremos.
2.- Ayudar a realizar la operación de cierre del desvío del río en la fase final de la obra. Esta función, aunque de duración limitada, es tan importante que en la mayor parte de los desagües de fondo se convierte en la más exigente y real.
3.- Limpiar la parte baja de la presa de los acarreos que se depositen.
El desagüe de fondo es de instalación obligada.
Los desagües intermedios pueden existir o no y su misión es ayudar a bajar el nivel del embalse o colaborar en la evacuación de crecidas con el aliviadero de superficie.
nivel mínimo del embalse.
El embalse debe oscilar entre dos niveles máximo y mínimo.
El nivel máximo normal del embalse viene fijado por consideraciones de tipo funcional y económico: capacidad necesaria, altura del salto, coste de la presa y las expropiaciones...
El nivel mínimo viene fijado por el consiguiente conjunto de consideraciones también funcionales y económicas:
1.- Debe dejarse bajo las tomas un cierto margen de reserva para que se depositen los materiales sólidos en suspensión, para evitar que el depósito llegue a obstruir total o parcialmente las tomas.
2.- Si nos limitásemos a dejar esta reserva en la parte baja del embalse, sólo salvaríamos las tomas durante cierto tiempo, pues la acumulación de depósitos sólidos seguiría aumentando y llegaría a alcanzarlas más o menos tarde. Por ello es necesario prever un desagüe suplementario, independiente de las tomas y por debajo de ellas, para permitir la limpieza esporádica de estos acarreos. Cuando haya exceso de aportaciones y sobren, puede hacerse pasar el agua por el desagüe de fondo, contribuyendo a la limpieza de la presa (en vez de dejar que se vierta por el aliviadero).
3.- La capacidad de reserva para acarreos, depende del porcentaje de material de suspensión que traiga el río y de la frecuencia previsible de accionamiento del desagüe de fondo, así como de su capacidad. Sólo interesan a este efecto, los finos que van en suspensión, pues los que arrastra por el fondo (más gruesos) se van depositando en la cola del embalse.
4.- Si del embalse sale una conducción en presión hay interés en que ésta sea la menor posible. Al bajar la situación de la toma, se baja consiguientemente el nivel de explotación del embalse, pero se aumenta la presión en la galería. A partir de un cierto nivel, no compensa el sobrecosto provocado por el aumento de la presión.
5.- En un embalse para abastecimiento o riegos, la cota de la toma puede venir fijada por la zona a servir y, consiguientemente, el nivel inferior del embalse.
6.- Si la función principal del embalse fuera la producción de energía y ésta llevase a fijar una determinada cota para la toma que dejase muerta una capacidad de cierto interés como reserva líquida, ésta podría usarse también para riegos o abastecimientos por medio del desagüe de fondo. Eso llevaría a interrumpir la producción de energía hasta que, de nuevo, el nivel del embalse alcanzase la toma, pero puede suceder que la falta de producción energética esté compensada con el beneficio de suministrar agua a una zona en momentos graves.
7.- por esto, en los embalses de uso múltiple puede suceder que haya varias tomas para los distintos usos, anulando las más bajas a las superiores.
8.- Así, obtendremos varias cotas de embalse mínimo, y hemos de decidir con todos ellos una sola cota definitiva para la toma, o varias si son varios usos. Por debajo de esa cota mínima sólo puede actuar el desagüe de fondo, y esto con utilización sólo extraordinaria y justificada, pues entrañaría la anulación de las tomas y usos consiguientes para los que realmente está hecho el embalse.
vaciado del embalse. función de los desagües profundos.
El desagüe de fondo no sólo puede cumplir la misión extraordinaria de permitir bajar el embalse por debajo de las tomas, sino también cuando el embalse está alto, sea ayudado por las tomas o con independencia de éstas.
El vaciado total o parcial puede ser necesario cuando ocurre alguna anomalía importante en el comportamiento de la presa.
Ante un defecto de comportamiento de la estructura puede bastar un descenso relativamente moderado; si el defecto es grave, habrá que proceder a un vaciado importante, pero que muy rara vez será total.
Si se trata de una filtración importante, para lograr disminuirla sensiblemente será preciso bajar el embalse de forma notable, hasta cerca del nivel donde ocurre la filtración.
En cualquiera de estos casos, la disminución de nivel conviene hacerla rápidamente para evitar que el mal pueda aumentar.
Las tomas no son elementos seguros de desagüe, pues dependen de la explotación y ésta puede no permitir el paso del agua; por eso, los verdaderos elementos de vaciado son los desagües profundos, pues sólo ellos pueden actuar con independencia y están previstos para esta función.
El descenso de nivel del embalse se verifica con caudales decrecientes según los siguientes tramos:
1.- Parte superior. Desde el nivel máximo hasta el umbral del aliviadero. La acción de éste permite un desagüe intenso, sólo limitado por no provocar una crecida excesiva aguas abajo. A pesar de la magnitud del caudal evacuable, el descenso de nivel puede ser lento, ya que esa parte superior tiene un volumen por metro mayor que en el resto de la altura.
2.- Parte intermedia. Entre el umbral del aliviadero y la toma de explotación. Desaparece la acción del aliviadero y sólo queda la del desagüe de fondo y la del o los desagües intermedios, y la de la primera toma. El caudal evacuable es mucho menor que en el tramo superior, pero el descenso puede ser más rápido por afectar a una zona de menor volumen por metro de altura.
3.- Parte inferior. Por debajo de la toma y hasta el desagüe de fondo. Sólo puede actuar éste y con caudal menor, por tener menos carga, pero como el embalse por metro de altura es pequeño en esta zona, no tiene importancia esa menor capacidad de vaciado. Por debajo del desagüe de fondo es obvio que no puede vaciarse el embalse restante.
función limpiadora del desagüe de fondo.
Hay algunos de aguas tan limpias que prácticamente no necesitan un desagüe limpiador, aunque sí lo necesitan para vaciar. En el otro extremo están los que llevan tal cantidad de material en suspensión que en ellos, la función principal del desagüe de fondo es la de limpieza, sin dejar por eso de ser útil como seguridad de vaciado.
El desagüe de fondo limpia los depósitos por erosión y arrastre; para lo cual ha de crear alrededor de él una suficiente velocidad.
La limpieza será intensísima hasta unos 15 m. de distancia, suficiente desde 15 a 25 m., muy moderada de 25 a 40 m. y prácticamente nula a partir de esta distancia.
La limpieza se extenderá más allá por efecto del talud natural que tiene que tomar el material, que si es fino, será bastante suave.
Se ve que el desagüe de fondo no alcanza en su función limpiadora más que a una zona dentro de un radio de unas pocas decenas de metros, que se amplía después en forma cónica por el talud natural. La toma debe situarse dentro de la zona a la que alcanza directamente la erosión y, si es posible, en la de altas velocidades.
precauciones en el funcionamiento del desagÜE DE FONDO
Este desagüe, además de la dificultad ya grande que procede de la gran presión a la que está sometido y que supone unos notables esfuerzos sobre las válvulas, tiene encomendada una misión de por sí dura; desaguar una mezcla, bastante densa, de sólido y líquido.
Cuando se descuida durante largo tiempo el accionar el desagüe de fondo, los sedimentos se consolidan y pueden llegar a taparlo.
El peligro de obstrucción es el más extremo, pues puede ser definitivo e irreversible. Para evitar la obstrucción, debe accionarse el desagüe cada cierto tiempo, antes que los sedimentos suban demasiado.
Hoy día, se tiende cada vez más a hacer el desagüe de fondo amplio, para que su acción limpiadora sea enérgica. El efecto más peligroso es el cierre, pues ha de efectuarse con altas velocidades, por lo que no debe escatimarse la calidad de las válvulas.
El funcionamiento normal de un desagüe de fondo es abierto totalmente, sólo de esta forma se consigue la máxima velocidad de arrastre.
evolución de la función del desagüe a lo largo del tiempo.
En la primera fase de la vida de la presa, es rigurosamente esencial disponer de la posibilidad de rebajar el nivel del agua con la máxima rapidez posible.
Otra misión muy importante de éste es ayudar en el desvío del río durante la construcción y sobre todo en la operación de cierre de ese desvío.
Conforme la presa va avanzando en su explotación, normalmente van desapareciendo los defectos e incertidumbres que pueden existir al principio. De hecho ocurre muchas veces que el desagüe de fondo deja de usarse bastante tiempo. Cuando esto sucede, suele haber el temor de funcionarlo y que no se pueda volver a cerrar, lo que lleva a no tocarlo indefinidamente. Se llega así a un círculo vicioso: como no es necesario usarlo, no se usa; y como deja de usarse, no tiene garantía de funcionamiento.
condiciones que exige la INSTRUCCIÓN.
Respecto a la capacidad, exige que con el nivel del embalse a la mitad de la altura de la presa:
Los de fondo desagüen por lo menos el caudal medio del río.
El conjunto de los de fondo e intermedios deberán poder desaguar el triple del caudal medio.
Añade que todos los desagües profundos se proyectarán para funcionar correctamente, en cierre y apertura, con la carga total del embalse.
Termina concretando que como mínimo habrá dos desagües de fondo y que todos los profundos deben tener doble cierre y deberán poderse accionar a mano y mecánicamente con energía procedente de dos fuentes distintas.
CONSTITUCIÓN de un desagüe de fondo.
Debe ser doble y cada uno de los dos desagües en paralelo debe llevar dos válvulas en serie. La válvula situada agua abajo es la que funciona realmente, abriendo o cerrando; la de agua arriba es de reserva y seguridad, y sólo debe cerrarse o abrirse estando la otra cerrada.
Ya se ha citado que es importante que la lámina de agua esté perfectamente ventilada. La falta de aire se traduce en una fuerte depresión, pues el chorro a altas velocidades lo arrastra, por lo que si no hay nueva aportación gaseosa acaba produciéndose un vacío que puede ser intenso.
Con estos vacíos se produce el efecto de cavitación, que destroza el hormigón próximo e incluso la propia válvula. Por eso es obligado asegurar una amplia ventilación; para lo cual, aparte de impedir que el chorro obstruya el paso del aire, hay que hacer que éste llegue desde el exterior por medio de un pozo o tubería especialmente destinada a la ventilación. Esta tubería debe ser amplia para que pueda dar un buen caudal de aire.
En los desagües de fondo en túnel es inevitable el deterioro por causa de la fortísima erosión producida por el agua a tan altas velocidades. En esas zonas, o se acepta la necesidad de reparación periódica, o es preciso blindar con chapa el hormigón. Estos blindajes han de anclarse bien.
Desviando el río totalmente por un cauce artificial.
Dejando en seco sólo una parte del cauce y concentrando el paso de la corriente por el resto, ejecutando así de forma sucesiva la obra.
Si, para evitar esto, hacemos un desvío muy amplio, su coste puede ser excesivo.
El criterio suele dar al desvío una capacidad suficiente para que pasen por él las avenidas normales durante el período más delicado de la obra, a sabiendas que, si durante ese plazo se presenta una mayor, la inundará. Es un riesgo que hay que correr. Podemos conocer la probabilidad de cada crecida, pero es difícil saber los daños que puede producir en la obra; evidentemente, no son iguales los daños que tendrían al inundarse unos bloques de hormigón, que el terraplén de una presa de materiales sueltos.
Lo difícil suele ser estimar la crecida máxima a prever para el aliviadero; en cambio, las crecidas que se presentan con frecuencia anual son perfectamente conocidas e incluso las de frecuencia de 2 a 5 años.
Si la obra es de hormigón, puede ponerse la avenida probable durante su período de construcción con un margen del 20%, o bien hacer el desvío para un caudal del orden de 5 a 10 veces el medio del río, según lo largo que sea el período de construcción.
Si se trata de una presa de materiales sueltos, el caudal probable durante el período de construcción se aumentará en un 50% y hasta un 100%, dependiendo de la importancia de los daños posibles.
desvío total. DESCRIPCIÓN.
La presa provisional de desvío se llama ataguía. A veces es necesario hacer otra agua abajo de la obra a proteger, para evitar que las aguas desviadas puedan inundar aquella por retroceso. Esta segunda presa se llama contraataguía o ataguía agua abajo.
La ataguía es un azud de corta altura que debe estar previsto para verter los caudales que no quepan por la conducción. El caudal previsible de vertido ha de ser, obviamente, bastante mayor que el del desvío. En los casos en que la ataguía es fácil de reparar o reconstruir y entonces se puede disponer sólo para un vertido mínimo o nulo.
Si el túnel va en presión siempre, ha de salir al río en un punto D por debajo de él, para lo cual, después de la toma habrá un tramo de fuerte pendiente, seguido de otro normal y terminando en otro en contrapendiente. Así queda asegurado el régimen en presión para todos los caudales, evitando el cambio de presión a lámina libre. A cambio, la obra resulta un poco más complicada, al estar el túnel más bajo que el río y, además, el túnel puede llenarse de acarreos, prácticamente imposibles de limpiar.
La sección del túnel viene determinada por la velocidad elegida para el caudal máximo. Esta velocidad puede ser elevada, pues como la obra es provisional no importa su deterioro, mientras dure el plazo requerido.
La máxima economía de un desvío es función a la vez del coste de la ataguía y de la conducción. Esta es tanto más económica cuanto mayor sea la velocidad máxima; una velocidad pequeña permitirá una ataguía baja, pero la conducción será mas cara, ocurriendo a la inversa con una velocidad grande.
Además de la altura necesaria para V2/2g, es necesario prever un suplemento del 30-50%, y no menos de 0,5-1,0 m., para las pérdidas de carga en la entrada que suelen ser fuertes en estas obras, pues por ser provisionales, se hacen más burdamente. En cualquier caso se recomienda huir del optimismo en la determinación de rugosidades y pérdidas, y dimensionar la ataguía con un margen de prudencia para asegurar el paso del agua en las condiciones habituales de este tipo de obras.
desvío en lámina libre.
Para evitar los defectos antes señalados, se puede hacer el desvío con régimen de lámina libre. Es indiferente que la conducción sea en túnel o exterior, pues el funcionamiento hidráulico sólo depende de que la lámina esté en contacto con la atmósfera.
En la ataguía se produce la altura necesaria para V2/2g. Para pasar de la velocidad pequeña en el remanso producido por la ataguía a la importante en la conducción, puede hacerse un tramo corto inicial con fuerte pendiente o dejar que ese tránsito se produzca naturalmente por medio de la pendiente superficial.
Este último procedimiento tiene el inconveniente de desconocer el sitio donde se formará el régimen crítico y, por tanto, la forma de la lámina.
Aquí, las advertencias sobre la altura de la ataguía para lograr la velocidad supuesta y lo razonado de la variación del coste con la velocidad, son iguales que en el supuesto anterior.
El desvío en lámina libre tiene sobre el que va en presión, tiene como ventajas, mayor facilidad de construcción, menor peligro de aterramientos y menor dificultad para su limpieza y extracción; además, de tener mayor elasticidad de desagüe frente a crecidas mayores a la supuesta, pues una sobreelevación pequeña de nivel influye muy poco en el desagüe de una conducción en presión y bastante en una de lámina libre.
La mayor parte de los desvíos se proyectan en lámina libre.
desvíos parciales.
Cuando el cauce es ancho y los caudales elevados costaría mucho construir un cauce artificial; por otra parte, la amplitud del cauce permite estrecharlo accidentalmente durante el período de obra.
Se empieza construyendo un recinto, a cuyo resguardo se hace la primera zona de la presa hasta alcanzar una altura suficiente. Después o al tiempo, se hace la zona opuesta (la otra orilla), haciendo la segunda zona de la presa. Conseguidas ya dos zonas firmes, se apoya en ellas el tercer recinto haciéndose la zona central de la presa.
Es obvio que este sistema ha de aplicarse a presas de hormigón.
Los recintos pueden ser de cualquier forma en planta, con alineaciones rectas o curvas; esta última es muy usada cuando se utilizan tablestacas, pues la forma circular ayuda a la resistencia contra el empuje del agua. En cuanto a número, los recintos pueden ser 2, 3 ó más según los casos.
Exige una planificación completa y detallada, para organizar sin fallos las distintas fases de la operación.
Son azudes vertederos, pero provisionales y destinados a dar servicio sólo por un corto período (1-4 años).
Pueden ser totalmente de fábrica o estar formadas por una sola zona de vertedero en hormigón y el resto con un dique de material suelto. En este caso, este dique ha de tener sólo la consolidación que exija su misión provisional. La impermeabilización del dique se puede lograr atravesándolo posteriormente con tablestacas. La zona de vertedero se hace con un perfil Creager. No es necesario siempre cimentarlos en roca, bastando que aguanten los vertidos sin arruinarse. La única observación importante respecto a ese punto es pensar bien que influencia puede tener el azud en la seguridad del personal.
Los recintos se pueden hacer también con terraplén impermeabilizado con tablestacas o con pilotes o inyecciones.
Las contraataguías presentan normalmente muchos menos problemas que las ataguías, ya que tienen los siguientes atenuantes funcionales:
Su altura ha de ser la estricta para contener la lámina de agua que pueda llegar a formarse agua abajo, a la salida del túnel de desvío.
Al ser de una altura menor, se simplifica no sólo su construcción, sino su función de vertido.
La contraataguía puede no ser necesaria cuando la pendiente del cauce sea suficiente para que el agua siga por el cauce con una cota máxima de lámina inferior al nivel del cauce en el lugar de trabajo. También puede ocurrir esto con pendiente suave, cuando el túnel de desvío reintegra el agua al cauce en un punto muy alejado del lugar de la obra.
Tanto la ataguía como la eventual contraataguía han de calcularse teniendo en cuenta la excavación a realizar, pues es obvio que ésta puede influir de forma decisiva en su estabilidad.
túneles de desvío.
Si el túnel está suficientemente alto sobre el río, puede perforarse sin cuidado especial. Únicamente habrá que estar atento a posibles crecidas de cierta entidad que, al elevar el nivel de agua, pudieran inundar las obras. Según los casos, la frecuencia de tal posibilidad o los daños previsibles, se adoptarán unas u otras medidas de precaución.
Si el túnel se proyecta en presión, su trazado irá casi totalmente por debajo del nivel del río. Para perforarlo habrá que utilizar galerías de ataque inclinadas por ambas bocas. Estas galerías pueden ser en algunos casos los mismos tramos de entrada y salida, aunque entonces será preciso proceder a un retoque posterior. Como esos retoques son difíciles de hacer o incluso, imposible utilizar como ataques la entrada y salida definitivas, es muy frecuente utilizar galerías de ataque auxiliares independientes de la entrada y salida definitivas. Son túneles inclinados cuya traza se sitúa en la forma más apta para lograr la mínima longitud compatible con la pendiente y un buen lugar de emboquillamiento, y suficientemente alto y con buen acceso.
A veces hay que acudir también a estas galerías de ataque auxiliares en túneles de desvío sin presión, aunque entonces son más cortas, dado el mayor nivel del túnel.
Los túneles de desvío sólo se revisten en los casos en que resulta necesario en función a la resistencia a la erosión del agua. Cuando el revestimiento es preciso, hay que hacer ataguías de protección, normalmente con sacos en forma parasemicircular, y que como son de poca duración, no tienen grandes exigencias.
Las bocas, particularmente la de salida cuando está por bajo del río, son obras dificultosas y, como su objeto se ciñe a la duración del desvío, tampoco hay que hacerlas perfectamente. La voladura final de una de estas bocas se hace de golpe.
OPERACIÓN de desvío del río.
Es una operación delicada y difícil, por lo que hay que desechar toda idea de perfección; eso sí, debe preverse todo cuidadosamente y después ejecutarlo con orden y sobre todo, con rapidez en sus últimas fases.
La evolución normal suele ser así:
Se perfora y reviste (si es necesario) el túnel de desvío y sus bocas, si el nivel de éstas respecto al río lo permite.
Si las bocas están bajas, se hacen posteriormente, previa protección con ataguías ligeras eventuales o por medio de voladuras.
Si la boca de entrada está baja, al hacer su voladura, el agua del río penetra en el túnel, y si también está perforada la boca de salida, el río quedará desviado, al menos parcialmente. Si la boca de entrada está alta, no pasará el río por ella hasta que la ataguía del cauce haya llegado a un nivel suficiente.
La ataguía de la presa, salvo que esté reducida a su mínima expresión, no es una obra fácil de ejecutar mientras el río pase por el cauce. Por ello, se suele hacer parcialmente, según lo permita el río, hasta que la última parte resulte imposible sin desviarlo.
Una vez hecho el desvío del río, puede procederse al cierre final de la ataguía. Consiste, en general, en echar al río lo más rápidamente posible, escollera, gaviones o piedras para obstruir su paso por el portillo que quede en la ataguía. La operación ha de estar preparada y debe ser rápida, pues sino, el río acabará arrastrando las piedras y materiales echados y habrá fallado la operación. Hay que intentar echar elementos grandes para dificultar su arrastre. También se pueden hincar previamente perfiles metálicos en los acarreos para que ayuden a sujetar las piedras que echamos después; o incluso mallas metálicas. Esta operación será tanto más fácil cuanto más bajo esté el umbral de entrada del túnel.
Una vez conseguido el cierre provisional, se procede a su afianzamiento, para lo que pueden echarse elementos de tamaño decreciente con objeto de que vayan penetrando en los huecos del tapón. Hay que contar con la necesidad de disponer bombas de agotamiento agua abajo de la ataguía.
Desviado el río y reducidas las filtraciones, se puede terminar la ataguía, si aún falta recrecer su altura o reforzar las inyecciones de consolidación...
Para mayor facilidad de las operaciones más delicadas (2 y 5), se planea hacerlas en el período de aguas bajas, porque el resto del año resultarían más costosas o incluso imposibles.
cierre del desvío.
Gracias a tener desviado el río se pueden realizar las cimentaciones de la presa y avanzar en su ejecución. Pero en cuanto ésta llega a una cierta altura, el desvío puede no ser ya necesario. Y lo más tarde, cuando la presa está ya terminada, hay que cerrar el desvío.
Esta operación tiene también cierta dificultad, por ello es forzoso prever la operación desde el principio y proyectar las obras de desvío de manera que el cierre sea más fácil.
Para cerrar el desvío debe contarse previamente con unos desagües en la presa. Elemento fundamental para ello es el desagüe de fondo. Éste desagüe permite hacer pasar el agua por él mientras que se cierra el desvío. También facilita el cierre definitivo de la presa, pues basta operar la válvula o compuerta correspondiente.
En la operación de cierre hay que distinguir tres casos:
1.- Hay túnel de desvío:
Con el desagüe de fondo en la presa.
Con el desagüe de fondo en el mismo desvío.
2.- El desvío se hace por recintos y el desagüe de fondo está en la presa.
3.- El desagüe de fondo es independiente de la presa y del desvío.
Cuando hay túnel de desvío y desagüe de fondo en la presa, se puede cerrar de dos formas:
Dejando previstas en algún sitio donde se puedan hormigonar bien, dos o más ranuras verticales en las que se puedan alojar unas compuertas deslizantes elementales. Teniendo previstas estas ranuras, resulta bajar esas compuertas (ataguías) en el momento deseado. Conviene que sean al menos dos en serie, pues la primera probablemente no cerrará del todo, pero cortará al menos el caudal importante. La segunda compuerta es más fácil de bajar, a pesar de que la filtración de la primera sea notable.
Colocando unos tubos horizontales y longitudinales se puede ir echando hormigón de forma que el agua siga pasando por ellos, pero taponando así gran parte de la sección. Después es más sencillo ir taponando los tubos uno a uno por medio de piezas troncocónicas que encajen en la entrada de cada tubo.
Desde el mismo momento en que el desvío está cerrado, aunque sea imperfectamente, el agua se va acumulando detrás de la presa. Y cuando llega al nivel del desagüe de fondo, sale por él controlándose así su nivel hasta que se decida proceder al embalse normal (cerrando el desagüe de fondo).
Cuando hay túnel de desvío y desagüe de fondo en el mismo desvío, puede hacerse de manera similar si colocamos ese desagüe en un túnel algo más alto que el desvío. Mientras el agua pasa por el túnel inferior, puede ejecutarse con toda comodidad la obra en el túnel superior.
Hay veces en que el desagüe de fondo se hace en el mismo túnel de desvío. Esto lleva siempre a una mayor dificultad en su ejecución, por el hecho de que el agua ha de seguir pasando. Para resolver este problema puede dejarse en la presa un portillo o hueco provisional; el desvío se cierra por medio de unas ataguías y el agua remansa un poco y sale por el portillo de la presa. Se hace la obra e instalación de las compuertas de desagüe de fondo y, cuando está terminada, se vuelven a levantar las ataguías del desvío y el agua vuelve a pasar por él a través ahora, de las válvulas del desagüe de fondo y puede ya cerrarse el portillo provisional de la presa. Terminado éste, se pueden cerrar las válvulas del desagüe de fondo y comenzar el embalse.
Cuando el desvío se hace por recintos, en algunos de los bloques de la presa hay que dejar hecho el desagüe de fondo. Por éste pasará el agua a partir de un cierto momento de la construcción. Cuando se decida pasar al embalse definitivo, se cierran las válvulas o compuertas de este desagüe.
Puede haber una fase intermedia en la que subsistan simultáneamente el desagüe de fondo, ya instalado, y un portillo en la presa que luego hay que cerrar.
Cuando el desagüe de fondo es independiente de la presa y del desvío, se puede ir construyendo e instalando con total desconexión con el resto de la obra. Y realizar el cierre final con él, como siempre, utilizándolo también como alivio del agua mientras se procede al cierre del desvío provisional, sea éste por túnel, recintos o portillo en la presa. Funcionalmente, es la mejor solución de todas.
ESTADO TENSIONAL DEL TERRENO NATURAL.
Para explicar este concepto, empezaremos por considerar el caso más simple: roca homogénea e isótropa en un valle formado exclusivamente por erosión.
Tendremos una serie de zonas, con los siguientes estados tensionales:
A)- Zona fuertemente descomprimida (superficial).
Fuerte desigualdad de tensiones principales y elevado valor de los esfuerzos cortantes. Si éstos superan la resistencia de la roca, ésta se agrietará según dos direcciones normales entre sí. La meteorización, facilitada por la penetración de agua, aire o hielo por las fisuras, agravará el proceso y la debilidad de la roca en esa zona.
B)- Zona de descompresión inicial (intermedia).
Las tensiones principales se aproximan más, pero dan aún unos esfuerzos cortantes que se acercan (por debajo) al límite resistente. La roca no llega a fisurarse, pero cualquier cambio en su estado tensional puede producir el agrietamiento.
C)- Zona inalterada o poco alterada (profunda).
Las dos tensiones principales no son muy diferentes y dan esfuerzos cortantes moderados muy lejanos a la rotura. La roca está entera. A cierta profundidad, se llega al estado tensional hidrostático primitivo.
Esta repartición por zonas es conceptual; en realidad la cosa es más compleja porque:
La roca no suele ser homogénea, lo que hace que en los sitios en que es más débil, el espesor de la zona de fisuras aumenta y, a la inversa, si es más fuerte.
Tampoco suele ser isótropa, lo que conduce a que las direcciones de fisuración no coincidan con las bisectrices de las tensiones principales.
Hemos supuesto la horizontalidad del terreno, lo que no es un caso general.
Además, tampoco el estado inicial del terreno es siempre el hidrostático, pues en una gran parte de los casos su formación geológica lo ha distorsionado.
Otro efecto que se puede dar, y se observa en laderas con talud muy encrespado, es el agrietamiento por tracción. El peso propio produce un asiento; al estar libre de coacción exterior contra la deformación lateral, la roca tiende a esponjarse hacia el valle y, consiguientemente, el estado tensional no sólo presenta compresiones variables alrededor de algunos puntos, sino incluso tracciones. El resultado puede ser un agrietamiento superficial más o menos vertical y profundo y, eventualmente, hasta una caída o inestabilidad de los bloques exteriores que quedan separados del borde del macizo por una o varias grietas.
La zona más exterior, fuertemente descomprimida y fisurada, se aprecia a simple vista no sólo por las grietas sino, en general, por su color, que suele ser distinto del de la roca subyacente, debido a la meteorización y a la suciedad que deja el agua que filtra por las fisuras. Sigue a ella otra zona con microfisuras que pueden no ser visibles, e incluso no detectables con prospección sísmica, pero que suponen una rotura real de la roca. El conjunto de ambas zonas suele tener de 3 a 10 m. de espesor, siendo más frecuentes los valores intermedios y en general superando los 5 m.
Ni que decir tiene, que no se debe cimentar en la zona descomprimida. Pero aunque menos espectacularmente fisurada, la de microfisuras es también zona de menor resistencia y por ello poco apta para recibir las fuertes cargas que le transmitirá la presa.
En presas de cierta importancia o en los casos en que las diferencias de deformabilidad entre presa y roca hagan prever fuertes cargas puntuales en ésta que excedan su capacidad de resistencia, puede ser necesario conocer las cargas reales sobre el cimiento acudiendo a modelos mecánicos o el método de elementos finitos. En la mayor parte de los casos se prescinde de tal comprobación y se admite la distribución lineal.
La admisión de estas hipótesis presupone que cimentemos en roca sana y resistente, para que ésta tenga margen de resistencia suficiente para absorber el exceso de carga real respecto a la que resulta de tal simplificación.
En la imposibilidad de conocer exactamente el espesor de la zona microfisurada, lo que se hace es penetrar unos metros en la roca aparentemente buena, después de quitada la parte superficial claramente descomprimida y meteorizada.
No es posible dar reglas exactas. Por dar una idea, diremos que no menos del 5% de la altura de la presa y, en general, un mínimo de 4 m. para presas de más de 50 m. En presas menores, si la roca es buena, puede bajarse algo, pero no menos del 10% de la altura, ni menos de 2 m. Todo ello sin contar la zona francamente meteorizada. Es preferible y aconsejable, sustituir la roca por hormigón coherente y uniforme en todo el espesor en el que está aparentemente mal o presumamos su microfisuración ya realizada o próxima.
Una regla práctica de comprobación global aproximada que solo vale para establecer el mínimo: estadísticamente se ha comprobado que las excavaciones de una presa suelen dar un volumen total de por lo menos un tercio del volumen total de hormigón y, más frecuentemente, el 40 o 50%.
CIMENTACIÓN en perfil transversal de la presa.
Conviene que la superficie de cimentación tenga una cierta pendiente buzando hacia aguas arriba para mejorar la estabilidad al deslizamiento. Salvo algunos casos, en que ésta viene fijada por las condiciones de estabilidad, en general es suficiente un 5%.
Cabe también hacer un tramo horizontal agua abajo y otro inclinado agua arriba, con lo que conseguimos una pendiente media semejante a efectos de estabilidad que con un plano continuo, pero ahorramos obra.
En la roca, los ángulos vivos, además de concentrar esfuerzos y dar tracciones, la dejan más débil y probablemente agrietada, lo que corrobora la necesidad de suavizar las uniones de las superficies del cimiento.
También conviene rematar el talud agua abajo con un repié horizontal, hormigonándolo contra la roca sana, con objeto de unir mejor con ésta y poder contar, eventualmente con su resistencia pasiva. Por otra parte, la superficie de apoyo debe ser amplia, para disminuir las cargas sobre la roca en esa zona.
CIMENTACIONES en roca fracturada.
En casos muy extremos, con roca muy rota, lo aconsejable será hacer una presa de materiales sueltos, que evidentemente permiten ese cimiento, más consistente que la propia presa. Incluso con roca buena, hoy día suele ser más económica una presa de materiales sueltos que una de gravedad, luego con cimiento defectuoso lo será casi con certeza. Una presa bóveda, cuando es factible, puede ser más barata que la de materiales sueltos, pero requiere unas condiciones mínimas de cimentación, más exigentes que la de gravedad, luego tampoco será apropiada con roca fracturada en profundidad.
Sin embargo, pueden darse casos en los que a pesar de las malas condiciones de la roca, haya que cimentar en ella una presa de fábrica; en estos casos es obvio que no podemos llegar a la roca fisurada y hemos de resolver el problema de la cimentación con criterios distintos a los expuestos hasta ahora.
La necesidad de llegar a roca entera venía determinada por las cargas que una presa de fábrica transmite al terreno. Luego si éste es defectuoso, será preciso que las cargas que inciden sobre él tengan el límite que impone su menor resistencia. Esto se puede conseguir:
1.- Con zócalos o ensanches en la base de la presa, que repartan las cargas en una mayor superficie o incluso con mayor uniformidad.
2.- Cambiando la forma o dimensiones de la presa para que las cargas sean menores o mejor repartidas. Por ejemplo, aumentando los taludes en una presa de gravedad, tensiones, o modificando las curvaturas y espesores un una bóveda.
En cualquier caso, será preciso profundizar la cimentación más de lo normal, y no para tener roca buena, sino para quitar la peor y, sobre todo, para lograr un cierto “anclaje” en el terreno. Una cimentación profunda, aún en terreno fracturado, tiene la ventaja de hacer trabajar por empuje pasivo la cuña de terreno agua abajo. Es condición indispensable hormigonar contra el terreno excavado e inyectar posteriormente el contacto para asegurar el trabajo simultáneo de la base de la presa y la roca agua abajo.
Con la profundización se mejora la estabilidad al deslizamiento, al aumentar el peso de la propia presa y añadirle el de la roca que habría de moverse agua abajo para poder deslizar.
forma de dejar la superficie de la roca.
La superficie de unión entre presa y roca debe ser sensiblemente plana o compuesta de varios planos con ángulos suaves; pero conviene que sea rugosa y áspera, sin forzarla. Así se consigue una mayor trabazón con el hormigón y una mejor resistencia al esfuerzo cortante en la superficie de contacto.
Es preferible tratar la roca de forma que rompa según sus planos de fractura naturales; y si deja un dentado, que sea menudo y espontáneo. Aunque la fractura natural de la roca deje ángulos vivos no importa, porque serán resistentes; lo esencial es que sean poco profundos, pues lo contrario es lo que debilita la roca.
Las excavaciones se hacen con explosivo. Este no debe ser muy rompedor, sobre todo en la última operación de refino. Si utilizamos mucho explosivo, destrozamos mucho la roca: esto es bueno para excavaciones grandes; pero cuando nos acercamos a la cimentación definitiva de la presa hay que tener cuidado, pues la roca no debe quedar deteriorada. En cualquier caso, los retoques finales hay que hacerlos con poco explosivo y, desde luego, acabar quitando con barra la parte fracturada. Después hay que lavar la roca con chorro de agua para que quede entera y limpia.
Es muy recomendable dejar consignadas todas estas condiciones de la cimentación en los planos de obra.
CIMENTACIÓN en perfil LONGITUDINAL.
Las presas de fábrica se hormigonan por bloques separados verticales, incluso las de tipo bóveda. Estos bloques suelen tener un ancho de unos 15 m. De esta forma se evita sean afectados por la retracción. Se puede llegar a 18 o 20 m., pero es excepcional. También se llega a 10 o 12 m., pero sólo a veces, en ciertas zonas y no en toda la presa, salvo en algunas de corta altura. En presas de contrafuertes el bloque es un contrafuerte entero con sus cabezas.
Lo ideal sería que cada bloque se asentase en una superficie horizontal, porque de esta forma se hormigonaría con más comodidad y, además, así resultaría una altura uniforme en todo él, y una de formación uniforme, tanto por su propio peso como al ser sometido al empuje hidrostático.
Es aconsejable que la superficie de asiento sea sensiblemente horizontal en dirección paralela a la coronación. Esa condición es fácil de conseguir en los bloques de la parte baja, pero en los que se asientan en las laderas puede presentar dificultades.
Cuando las laderas son suaves, basta dar una pendiente de 10-15% al asiento de los bloques para que estos cumplan aceptablemente las condiciones requeridas, tanto en cuanto a suficiente comodidad para el comienzo del hormigonado, como en cuanto a que la diferencia de alturas en sus extremos no sea grande.
Con laderas de pendiente no mayor del 25-30%, ha de resolverse el problema con inclinaciones de la excavación del 10, 15 o incluso 20%. Se comprende que el escalonado con la tolerancia citada no es suficiente para que la excavación siga a la ladera con un cierto paralelismo y, en ese caso, nos vemos obligados entre dar al asiento de los bloques una inclinación fuerte, que resultará incomoda para la construcción, o permitir escalones notables en la roca entre cada dos bloques.
Un remedio puede ser el cambiar el ancho de los bloques. Esta disminución de ancho no sólo permite un escalonado menor, sino que también asegura el mejor trabajo de los bloques. Conviene estrecharlos en cuanto el escalón pueda ser grande, porque las juntas trabajan mejor con menores desplazamientos.
A pesar de todas las medidas, si la ladera es muy inclinada quedará un escalón entre dos bloques que puede ser importante. Desde el punto de vista de la junta entre bloques esto no tendría mayor importancia, pues su flexibilidad permite seguir los movimientos relativos entre ambos. Es la roca la que puede dar dificultades, pues un escalón grande en ella no es conveniente. En la sección transversal, deben prescribirse los escalones con ángulos vivos; en la longitudinal se admiten, pero conciertos límites. Un escalón fuerte, da una debilidad a la roca y es de temer, que en un entorno de la esquina del escalón , la roca esté agrietada o rota.
Hay ocasiones extremas en las que es inevitable un escalón considerable por la constitución misma de la ladera. En este caso no hay otra opción que aceptar el hecho y proyectar una junta especialmente prevista para permitir la gran diferencia de movimientos entre los bloques adyacentes.
En las presas de contrafuertes es mejor concentrar los escalones en las juntas, para que cada elemento trabaje mejor. Cabe, sin embargo, alguna tolerancia, dando un escalón más alto para una de las cabezas con tal de que no sea grande y, mejor aún, suavizándolo de alguna forma.
Tiene cierta importancia el orden en que se lleva la excavación. Es recomendable ir de abajo hacia arriba, es decir, empezar por el cauce e ir descendiendo.
Todo lo dicho hasta ahora, se aplica a presas de gravedad. En las presas bóveda, las normas dadas siguen vigentes, pero en lo relativo al escalonado longitudinal, tienen una mayor flexibilidad.
Esta tolerancia viene obligada porque en estas presas es muy frecuente que la cerrada presente unas laderas fuertemente inclinadas e incluso próximas a la vertical, en cuyo caso es muy difícil conseguir un escalonado relativamente suave, ni aún haciendo las ménsulas estrechas. Pero además, es que tiene mucha menor importancia que las ménsulas apoyen sobre una superficie plana, pues como al trabajo como tales ménsulas se agrega el efecto arco, que suele ser prevalente, una vez inyectadas y actuando toda la bóveda como un conjunto, las resultantes de las fuerzas sobre el cimiento no son verticales, sino inclinadas.
En cuanto a las presas de material suelto, todo lo dicho arriba rige sólo en un sentido muy amplio y con grandes tolerancias. Sigue siendo aconsejable tratar con cuidado la roca al excavarla, pero no con tanta exigencia. Y como su construcción no se hace por elementos verticales, sino por tongadas horizontales, no es necesario en absoluto hacer escalones horizontales, bastando limpiar la roca lo suficiente para que la superficie de contacto quede lo más sana posible, pero sin ser preciso tampoco una entereza total, ya que el material propio de la presa es, de por sí, suelto.
técnicas de precorte.
En la ejecución de la parte horizontal o casi horizontal de la excavación, suele bastar la prudencia, pues la forma de la rotura de la roca conviene resulte naturalmente rugosa y angulosa.
Pero en las paredes verticales o inclinadas, puede resultar conveniente añadir una condición más, conseguir una roca íntegra y cortada lo más lisamente posible. Así puede ocurrir, cuando intentemos contar con la resistencia pasiva de la cuña aguas abajo. En ese caso, la roca debe quedar lo más íntegra posible, para colaborar en la resistencia; y la superficie conviene sea casi plana, para asegurar la perfecta unión de hormigón con la roca y la posterior penetración de la inyección de cosido y consolidación. En una roca angulosa horizontal, el hormigón penetra bien por efecto de su propio peso, pero en vertical, los salientes dificultan la penetración y pueden dar lugar a huecos o contactos imperfectos entre hormigón y roca en los entrantes. La inyección también penetra peor cuando la superficie es quebrada.
Ambas condiciones de integridad de la roca y corte casi plano se consiguen con las técnicas llamadas de precorte. Esta consiste en hacer una serie de taladros verticales o inclinados, de los cuales se cargan con explosivos uno de cada dos o tres. Los gases de la explosión tienen mejor salida a través de los taladros vacíos, que presentan así un presunto plano de rotura. Así, no sólo se facilita la rotura de la roca al dar salida más fácil a los gases, sino que se establecen roturas bastante lisas acercando los taladros. Se comprende, que cuanto más próximos estén estos podremos poner menos explosivo en cada uno, consiguiendo con esto último menor daño y mayor lisura gracias a la proximidad misma.
Esa línea de taladros es la de precorte, porque crea sólo una superficie agrietada. La roca que queda fuera del plano de precorte hay que excavarla con explosivo de forma normal.
Esta técnica puede ser casi obligada en los casos de cimentaciones con cierta debilidad ante el deslizamiento, pues en ellas es preciso profundizar para contar con la acción pasiva de una cuña de terreno.
También resulta muy aconsejable, en excavaciones próximas a una presa, como puede ser la de una central a pie de ella, al objeto de no afectar a la cimentación de ésta última. Y, por supuesto, resulta casi obligatoria cuando hay que hacer a alguna excavación próxima a una presa ya construida o cementada. Y, asimismo, en galerías o túneles.
OBSERVACIÓN de presas.
Es absolutamente preciso observar la presa cuando está en explotación y ello por un doble concepto:
Para comprobar si se comporta desde el principio conforme a las hipótesis del proyecto (comprobación inicial aprobatoria).
Para que si en el curso del tiempo se presenta alguna anomalía, sea detectada a tiempo para corregirla (control continuado preventivo).
COMPROBACIÓN INICIAL.
En el proyecto de una presa se hacen varias hipótesis que es preciso comprobar si se cumplen en la realidad. Fundamentalmente son las siguientes:
Subpresión. La presa se calcula suponiendo que con los drenajes e inyecciones previstas, la subpresión tendrá una cierta ley e intensidad. Es preciso confirmar que la subpresión real no es superior a la supuesta.
Comportamiento estructural. Se suponen también unas condiciones del cimiento (resistencia, deformabilidad, etc.) y unas hipótesis de trabajo de la estructura. Hay que ver si el conjunto de estas condiciones se cumplen en la realidad.
Estas dos observaciones fundamentales se refieren a las hipótesis de proyecto. Pero, aparte de ellas, hay que realizar otras comprobaciones de buen comportamiento, como son las filtraciones de presa y embalse, para ver si entran dentro de lo normalmente tolerable.
La observación de las subpresiones se hace por medio de manómetros enchufados en los drenes. En distintos momentos y con distintas alturas del embalse se van midiendo las presiones en los drenes. Si la subpresión, en intensidad y distribución, es igual o menor que la supuesta, hemos comprobado la adecuación de la realidad al proyecto.
Si la subpresión resulta mayor de la supuesta, o la distribución es más desfavorable que la de la hipótesis, habrá que revisar los cálculos para ver si es o no admisible esa ley de subpresión; y si no lo fuese, hemos de tomar las medidas para disminuirla, fundamentalmente reforzar la pantalla impermeabilizadora con nuevas inyecciones y quizá perforar nuevos drenes, profundizar más los anteriores...
Todo esto requiere un cierto tiempo. Mientras tanto, como primera precaución, habría que bajar el nivel del agua en el embalse par disminuir el empuje y la subpresión hasta el límite en que quede garantizada la estabilidad. O, si aún no se hubiera alcanzado el nivel superior, se limitaría la subida de agua hasta el nivel que dé la debida estabilidad.
Por esto, la subida de nivel debe ser paulatina, al objeto de ir observando el comportamiento de la presa, evitando que la estructura pueda quedar sometida a condiciones más desfavorables que las supuestas. Pero puede ocurrir también que las subpresiones se mantengan dentro de límites razonables y se llegue a alcanzar el nivel máximo en el embalse y que por cualquier causa, suban las presiones intersticiales paulatina o súbitamente. En este caso, habrá que obrar en consecuencia.
Para juzgar si las subpresiones son o no admisibles hay que hacer la integral de ellas en cada bloque entre juntas, pues cada bloque actúa como una unidad; por ello es admisible que sean excesivas en algunos puntos si en otros se compensa este exceso, resultando en conjunto una ley adecuada.
OBSERVACIÓN de las FILTRACIONES.
Estas tienen un interés intrínseco, puesto que la presa se hace para retener agua y toda pérdida de ella va contra ese objetivo fundamental. Pero también tienen un valor como índice, pues una filtración excesiva acusa un defecto que puede derivar en aumento de la presión intersticial, lavado de la fábrica o de las diaclasas de la roca etc. con repercusión creciente.
Por eso es casi más interesante que la magnitud de la filtración su constancia o variación. Una filtración incluso notable, pero invariable puede no ser peligrosa. En cambio puede ser alarmante una pérdida pequeña en su comienzo que va aumentando con el tiempo, porque ello es señal del lavado del material. Sobre todo si el agua sale turbia, denota que hay disolución o arrastre, con lo que el camino de la filtración se va agrandando.
Las filtraciones han de observarse tanto integral como individualmente. La medida conjunta de las filtraciones da un índice del comportamiento general pero no basta. Hay que observar también por zonas, para ver si algunas de ellas son causa de la mayor parte de las pérdidas.
Las observaciones se hacen en las galerías de visita, viendo en cada una el caudal de las cunetas y observando si algunos drenes dan más agua que otros (como es lo normal). De esta forma podemos inyectar la zona más permeable, atacando el mal en el sitio más agudo.
La observación conjunta se puede hacer recogiendo todas las filtraciones en un canalillo colector final provisto de un vertedero triangular para poder medir con la mayor exactitud posible el caudal.
Al hablar de filtraciones y subpresiones no nos referimos sólo a la presa, sino a la roca, pues ya sabemos que ésta es tan importante o más que aquella. Las galerías y pozos de drenaje y observación deben penetrar en la roca.
En cuanto al embalse, sus filtraciones tienen el mismo interés general, pero su observación ha de hacerse por medios más indirectos. Basta comprobar que no hay manantiales que puedan provenir de él. Si se notase la aparición de una fuente nueva o el aumento de caudal de alguna existente, hay que analizar si procede del embalse y cual es su origen y posible recorrido. Su mantenimiento o variación es tan significativo como en la presa o cerrada. Y llegado el caso, habría que aprovechar un descenso del embalse para taponar o impermeabilizar su origen o, incluso, bajarlo ex profeso.
OBSERVACIONES estructurales desde el interior.
La estructura presa-roca funciona como un conjunto, y como tal hay que tratarla. Las observaciones sobre su comportamiento se hacen preferentemente midiendo deformaciones o corrimientos. Estas mediciones pueden hacerse con instrumentos internos a la presa u observándola desde el exterior por métodos geodésicos. En cualquier caso se trata de medidas de alta precisión, dada la exigüidad de las deformaciones absolutas y relativas.
De las medidas tomadas desde el interior, unas juzgan sobre el movimiento global de la presa y otras sobre su comportamiento elástico en puntos concretos. El aparato más universal y eficaz para juzgar sobre el comportamiento conjunto es el péndulo.
En un pozo vertical que se deja en el interior de la presa, se instala un cable muy fino con un peso P en su parte inferior, colgándolo de un punto próximo a la coronación. Cuando la presa está recién construida, sin deformarse, el pozo es vertical y el cable es paralelo al eje del pozo en toda su altura. Cuando la presa se deforma, la coronación sufre un desplazamiento respecto al pie, y como el cable sigue manteniéndose vertical, su desplazamiento respecto a la posición inicial mide la flecha horizontal en cada punto. La medición de los desplazamientos se hace a diferentes alturas (fijas) sirviéndose de puntos de aguja muy finas que dan las dos coordenadas horizontales del cable. También se usan otros procedimientos de precisión ópticos y eléctricos. El péndulo mide sólo corrimientos relativos y no absolutos, no pudiéndose saber si la flecha es debida a la deformación de la presa o si ha sido el cimiento o ambos. La única forma de medir corrimientos absolutos es prolongando el pozo dentro del cimiento hasta una profundidad tal que pueda considerarse la roca no afectada por las deformaciones.
Según la importancia y la longitud de la presa se ponen en ella uno o más péndulos, pues cada uno de ellos sólo mide el comportamiento de una ménsula, y puede ser interesante observar dos o tres.
También se hacen otras observaciones tensionales desde el interior por medio de aparatos especiales, tensómetros, deformámetros, clinómetros...
También se colocan termómetros en distintos puntos, porque las medidas de deformación y corrimiento no podrían ser bien interpretadas si no conociésemos el estado de temperatura en la presa.
OBSERVACIONES estructurales desde el EXTERIOR.
Estas tienen por objeto medir los corrimientos de diversos puntos de los paramentos de una presa, casi exclusivamente del de agua abajo, y que el de agua arriba está cubierto de agua durante largos períodos.
El método usado es el geodésico. Se instalan varias estaciones de observación en las laderas, agua debajo de la presa y a suficiente distancia para que no puedan verse afectadas por los movimientos de aquella. Estas estaciones pueden considerarse, así, como puntos fijos e invariables. En cada estación hay un bloque de hormigón dispuesto para colocar el teodolito en un punto perfectamente definido en sus tres coordenadas. Las estaciones deben estar cubiertas y cerradas lateralmente para aislarlas del sol, la lluvia y el viento.
Los puntos a observar se distribuyen en todo el paramento e incluso en las laderas; estos puntos se pintan materialmente en la presa por medio de un círculo para que sea bien visible a distancia. Su centro es el punto a observar.
Las mediciones geodésicas se hacen sólo a intervalos de semanas o meses, pues la operación es lenta y los cálculos complicados. Las observaciones suelen hacerse de noche para mayor precisión; para lo cual la presa debe estar bien iluminada.
La observación de la presa es importantísima, pues solo así podremos conocer si se comporta de acuerdo con lo previsto y calculado o si presenta alguna anomalía que aconseje tomar medidas.
Los principios generales que deben regir la elección del sistema de observaciones deben ser:
Planear que es lo que se quiere medir y para que.
Ver que aparatos nos hacen falta para ello y en qué número.
Para fijar este número debemos tener en cuenta que:
Este debe ser el menor posible que nos permita un enjuiciamiento de lo que hace la estructura.
Debemos tener un grupo preferente de aparatos que nos den una visión rápida de cómo trabaja la presa y otro complementario que sirva como estadística a utilizar solo en algún caso extraordinario.
OBRAS HIDRÁULICAS. PRESAS.	Página 9
T" ( N *tg / K1) + (cS / K2)
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D5(filtro)"tamiz nº 200
5 D15(suelo)" D15(filtro)"5 D85(suelo)
Construcciones civilesPresasSubpresiónEstabilidad y deslizamientoMaterialesDesagües profundosDesvío de ríosExcavaciones y cimientos