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Erosión interna de una presa
Hace unos días se produjo la rotura de la balsa de Valverde de la Vera. Según los datos que he podido leer en internet se produjo una pequeña fisura en el cuerpo de la balsa que produjo la posterior rotura. Desde la distancia y sin tener ingún dato objetivo se puede pensar que el fallo esté relacionado con un problema de erosión interna de la balsa (arrastre de material). ¿Se ha producido algún fallo previo en la impermeabilziación que ha dado lugar a este problema de erosión? El objeto de este post no es analizar la rotura producida sino resumir algunas ideas sobre el problema de erosión interna en las presas.
Este problema de erosión interna se ha producido en algunas presas antiguas construidas sin control de filtraciones. En esos casos, puede darse la circunstancia de que el agua aflore en el talud de aguas abajo creando una inestabilidad que, en terrenos granulares, consistiría en deslizamientos superficiales que desorganizarían el talud y podrían conducir a una situación posterior de rotura.
Este problema concreto ha sido objeto de estudio y parece que la situación crítica se alcanza para un cierto caudal crítico, dado por la expresión siguiente:
En esta fórmula empírica, propuesta por EBL Kompetanse (2005) el caudal “qc” se expresa en m3/s por m.l. (esto es en m2·s-1) y d50, que es el tamaño medio de las partículas del terreno, se expresa en metros (m). El ángulo α es el que forma el talud de aguas abajo con la horizontal.
Es difícil que una presa construida con un sistema de filtro y dren bien estudiado pueda presentar un problema de erosión interna del propio cuerpo de presa. Pero existen en España algunas presas antiguas construidas sin este sistema esencial de filtro y dren (Cazalegas y Vallehermoso).
Para solventar este tipo de problemas existen, al menos, dos procedimientos posibles:
a) Construir un refuerzo del espaldón de aguas abajo, que incluya un filtro y un dren y sobre ellos un amplio peso, lo que supone tender notablemente el talud de aguas abajo.
b) Construir una pantalla impermeable continua desde el centro de la coronación.
La segunda opción es muy intuitiva pero no resuelve del todo el problema pues sigue faltando un sistema de drenaje que pueda recoger las aguas que se escapen del sistema de impermeabilización. Y por ese motivo, el primer procedimiento parece más adecuado.
Resistencia del bulbo en terrenos cohesivos plásticos (II)
En una entrada anterior llamaba la atención sobre cómo influye la plasticidad de las arcillas en la resistencia límite del bulbo.
Como complemento a aquella entrada muestro el gráfico de Ostermayer, 1974, que se recoge en la British Standard. Además de la consistencia y plasticidad estos diagramas tienen en cuenta el tipo de inyección.
En todo caso es muy importante tener en cuenta que en arcillas plásticas el tema de la inyección es fundamental. Se debería evitar la inyección global única (IGU) en este tipo de materiales. Y siempre que se pueda hacer alguna prueba previa, si es posible, hasta el arrancamiento.
Modulo de deformación en arenas a partir del CPT
En muchas ocasiones tenemos la “necesidad” de obtener los parámetros geotécnicos de manera indirecta a partir de algunos ensayos in situ. En esta entrada se indican algunas expresiones que permiten establecer el módulo de deformación de las arenas a partir del ensayo CPT.
En primer lugar, el método de De Beer y Martins (1957) – De Beer (1965) permite la estimación de asientos en depósitos de arenas estratificadas de arenas de diferente compresibilidad. Asimismo, sugiere la siguiente correlación:
E (kp/cm2) = 1,5 qc
Una modificación al método anterior se debe a Meyerhof (1965) quien propuso que:
E (kp/cm2) = 1,9 qc
En general para arenas, las correlaciones son del siguiente tipo de forma:
Em = a qc
donde: Em es el módulo edométrico.
El coeficiente a varía en el rango de 1,5 a 4 para arenas normalmente consolidadas y de 8 a 15 para arenas sobreconsolidadas. En realidad el factor a depende del grado de consolidación, de la tensión vertical efectiva, de la densidad relativa,… entre otros factores. Vesic (1970) propuso la siguiente expresión dependiente de la densidad relativa:
a = 2 + 2 DR2
Lunne y Christoffersen (1983) propusieron que para niveles granulares se podía emplear la siguiente expresión:
Em= 4 qc si qc < 10 MPa
Em = 2 qc +20 si 10 < qc < 50 MPa
Por último, cabe señalar el trabajo de Schmertmann (1970):
- arenas sumergidas, bien (SW) o mal graduadas (SP)
E (tsf) = 2,5 (qc + 30) ≈E (kp/cm2) = 2,5 (qc + 30)
- arenas sumergidas, mal graduadas (SP) arcillosas:
E (tsf) = 1,67 (qc + 5) ≈ E (kp/cm2) = 1,67 (qc + 5)
Resistencia del bulbo en terrenos cohesivos plásticos
En la “Guía para el diseño y la ejecución de anclajes al terreno en obras de carretera” no se especifican diferentes valores de adherencia para un suelo arcilloso en función de la plasticidad. Sólo es función de la resistencia del suelo. Y esto ha dado lugar, en algunas ocasiones, a sobrevalorar el valor de la adherencia, dando lugar al fallo del anclaje. Así ha sucedido en algunos anclajes realizados en la zona sur de Madrid.
En general, es admitido que cuanto mayor es la plasticidad de las arcillas menor es la adherencia que puede alcanzarse. Pero no existen referencias claras y no es sencillo establecer unos valores fiables. Además, la experiencia indica que las adherencias dependen del procedimiento de inyección, de cómo se realice la perforación e incluso de algunos detalles de la instalación del anclaje.
A continuación, se reproduce una de las pocas referencias en las que el valor de la adherencia del bulbo depende de la plasticidad (aunque sea de manera cualitativa).
En este tipo de suelos cohesivos plásticos es recomendable realizar inyección repetitiva. Además de poder emplear en el diseño un valor adherencia límite mayor, podremos tener más confianza en dicho valor.
Diámetro “real” del bulbo
Es conocido que cuando calculamos la resistencia del bulbo de un anclaje podemos considerar un diámetro superior al nominal, cuyo valor depende de la naturaleza y compacidad del suelo y del tipo de inyección .
En esta entrada se incluyen las propuestas realizadas por dos auotres a partir de los resultados de ensayos realizados in situ. En primer lugar se muestra el trabajo de Bustamante en el que l valor de α indicado es el cociente entre el diámetro real del bulbo y el diámetro nominal.
Como se puede ver el tipo de inyección también influye en el valor a considerar.
El segundo de los trabajos presentados por el Belgian Building Research Institute que resume más de 30 ensayos in-situ realizados. Los valores son similares a los de Bustamante.
Resitencia por punta de un pilote en presencia de una capa arcillosa
La presencia de una capa de arcilla blando bajo la punta de un pilote disminuye la resistencia por punta a considerar en el diseño de un pilote. En la ROM 0.5-05 se propone una expresión que permite estimar esta reducción de la capacidad portante.
A continuación se muestra cómo se deduce dicha expresión y qué hipótesis y simplificaciones hay que hacer…
Con esta explicación os animo a intentar conocer el origen de las fórmulas que empleamos. Es necesario conocer en qué se basan, simplificaciones adoptadas…
Correlación entre el ensayo SPT y el penetrómetro dinámico continuo
Las correlaciones más usuales que proporcionan una caracterización geotécnica del terreno (ángulo de rozamiento, módulo de deofrmación…) son las que utilizan los resultados del ensayo SPT. Por este motivo resultaría interesante establecer una relación entre los golpeos de pruebas con penetrómetro continuo, y los que se hubieran obtenido si se hubieran ejecutado ensayos SPT.
Sin embargo no es fácil obtener una relación entre los resultados del ensayo SPT y el penetrómetro dinámico continuo. Y esto se debe a que existen diferencias entre ambos tipos de reconocimiento. Varía tanto el útil de penetración (cuchara frente a punta cónica) como la forma de ejecución (fondo de sondeo frente a penetración con varillaje desde superficie).
Una de las correlaciones más conocida es la de Dahlberg (1974), que relaciona golpeo de Borros con SPT en arenas:
NSPT = 25 log(NB) – 15’16
En un terreno arcilloso medio a firme, Dapena et al. (2000) han encontrado el siguiente ajuste:
NSPT = 13 log(NDPSH) – 2
que puede escribirse como sigue en función del ensayo Borro:
NSPT = 13 log(NB) – 1’13
Estas expresiones proporcionan valores muy similares entre el golpeo SPT y el Borros para el intervalo entre 5 y 20 golpes, por lo que es muy común simplificar, aceptando que:
NSPT = NBorros
y también que 1,2 Ndpsh =Nspt (aunque la experiencia indica que el valor de 1,2 se debe sustituir por 1,5-2)
Estas correlaciones siempre hay que emplearlas con reservas ya que hay que tener en cuenta que en la realización de una prueba de penetración continua, parte de la energía proporcionada se consume en el rozamiento del varillaje (pese a que la sección del cono es algo superior a la de la varilla), al contrario que en un ensayo SPT. A partir de los 6 a 10 metros de profundidad, el rozamiento por fuste de la varilla cobra importancia, por lo que el golpeo del penetrómetro dinámico empieza a ser claramente mayor que el correspondiente al SPT
Medidas correctoras de deslizamientos de taludes
No e sencillo establecer unas actuaciones correctoras estándar para la inestabilidad de los talunes. Para cada caso se deben estudiar las medidas de acuerdo con los problemas concretos de cada caso, en función de sus características específicas.
Pero en esta entrada se quiere indicar un posible “catálogo” de posibles actuaciones que se para mejora de la estabilidad de taludes de desmonte. La única utilidad es que cuando estudiemos un desmonte las tengamos todas presentes.
- Movimientos de tierras: retaluzado con una pendiente más suave.
- Mejora de las condiciones de drenaje:
- Drenaje superficial: revestimiento de cunetas de coronación y pie de desmonte, impermeabilización de bermas, bajantes revestidas, etc.
- Drenaje profundo: fundamentalmente, drenes californianos.
- Refuerzo con gunitado/hormigón y bulones/anclajes
- Protección superficial con gunitado.
- Gunitado de zonas discontinuas, con refuerzo de bulones.
- Refuerzo con bulones exclusivamente (sin gunitado).
- Gunitado de grandes superficies (incluso de taludes completos) con bulonado.
- Muros de hormigón armado, anclados.
- Escolleras
- Chapado de protección en el pie de los taludes.
- Rellenos de escollera en el talud para corrección de inestabilidades o saneo de zonas con surgencia de agua.
- Repié o muro, para añadir peso en la parte baja del talud.
- Mallas
- De guiado de caída de piedras.
- De refuerzo (ancladas mediante bulones).
- Actuaciones singulares
- Pozos verticales.
- Pantalla de pilotes
Erosión en taludes
La erosión se puede definir como el proceso de desprendimiento y arrastre acelerado de partículas de suelo causado por el agua y el viento. Si se supera la resistencia al corte del suelo y las partículas se desprenden.
En la erosión hídrica el agua arranca y transporta partículas de suelo. Dependiendo de la importancia del fenómeno se producen regueros, cárcavas, inestabilidades. Es decir, en ocasiones los fenómenos se estabilizan. En otras ocasiones puede producir la rotura progresiva del talud. Influye la intensidad, duración y frecuencia de la lluvia. Se produce, evidentemente, en climas lluviosos. Es especialmente importante si son lluvias torrenciales, tormentas. También del tipo de suelo, la resistencia al corte del mismo.
En la erosión eólica el viento disgrega, altera y transporta partículas. Estas propias partículas arrastradas por el viento incrementan el proceso erosivo. Se suele producir en suelos sueltos y textura fina, lluvias escasas, temperaturas altas, vientos fuertes. Y en materiales que se alteran a la intemperie. Por ejemplo, en climas desérticos.
Bajante en una zona de humedad del talud que evita la erosión
Las medidas correctoras que pueden evitar/minimizar los efectos de la erosión interna pueden ser:
- Conducir el agua adecuadamente para evitar que pueda circular por la propia superficie del talud.
- Modificación de la topografía. Los taludes más tendidos reducen la velocidad del agua por el talud y, por tanto, reducen su efecto erosivo.
- Implantación de vegetación. En ocasiones hay que aportar tierra vegetal para que la vegetación pueda crecer.
- Implantación arbórea o arbustiva.
- Realización de hidrosiembra (proyección de una dispersión de celulosa, abonos y mezcla de semillas). Hay que poner especies de la zona para que puedan crecer.
- Colocación de láminas o elementos artificiales de protección. Así se evita que agua circule directamente sobre el talud.
- Implantación de medidas químicas (estabilizadores, asfalto, protectores químicos, sellantes)
- Gunitado (hormigón proyectado)
- Revestimiento con piedras o bloques de hormigón. Además de evitar la erosión, actúan como filtro que impide la pérdida de partículas.
- Colocación de fajinas (clavado de hierros o estacas de madera a las que se fijan redes de materiales plásticos, ramas..)
- Implantación de medidas mecánicas (elementos de drenaje, muros, refuerzos…)
- En la erosión eólica se pueden colocar obstáculos que corten el viento (pantallas, paneles)
- En taludes en arcillas la erosión en el pie por circulación de agua puede producir al ruina del talud. Se produce una rotura remontante. Para evitarla se suele colocar una escollera en el pie que sirva de elemento de contención en el pie y evite los arrastres.
Vuelco de estratos o toppling
El vuelco de estratos o, en inglés, “toppling” consiste en el vuelco conjunto hacia debajo de un bloque de roca por flexión de los estratos y, generalmente, se produce por una disminución del rozamiento y/o de la cohesión entre las juntas. En la mayoría de los casos, suele tratarse de un fenómeno relativamente superficial.
Los condicionantes que pueden producir este tipo de roturas son: una estratificación continua de rumbo subparalelo a la traza del talud y con buzamiento fuerte hacia el interior de este.
Para corregir este tipo de inestabilidades existen diversas soluciones. Algunas de las actuaciones empleadas habitualmente son los que se indican a continuación:
– Retaluzar saneando la zona movida. Por tanto, el nuevo talud debería tener una inclinación parecida, como mínimo, a la línea de la charnela o eje de giro de los estratos.
– Ejecución de anclajes aislados o unidos mediante algunos elementos rígidos de reparto vertical (muros, costillas verticales).
– Bulonado sistemático con una ligera tensión o pasivos.
