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Generación de presiones intersticiales durante la construcción de una presa de materiales sueltos
En este post quiero resumir lo indicado en la Guía Técnica de Presas nº 2 sobre la generación de presiones intersticiales durante la construcción de una presa.
Los materiales poco permeable pueden retener, sin disipación, las presiones intersticiales generadas durante el proceso constructivo.
Cuando este coeficiente es k ≥ 10-4 cm/s se considera aceptable suponer que la construcción de la presa no genera presiones intersticiales remanentes de importancia y, en consecuencia, se puede suponer que no existen excesos de presión intersticial por este efecto.
El exceso de presión intersticial Δu generado por la aplicación de una carga de compresión “p” es, en general, proporcional a dicha carga, según la siguiente expresión:
Δu = B · p
El aumento de la carga p durante la construcción se puede suponer de manera simplificada igual al peso total de tierras sobre la vertical del punto de interés, esto es:
p = gap · h
siendo h la altura de tierras colocadas sobre el punto en cuestión.
Si se quisiera ser más preciso, se podría emplear la teoría de la elasticidad para obtener las tensiones producidas por la construcción de la presa.
El factor de proporcionalidad (o factor de presiones intersticiales B ) tiene valores que pueden variar de 0 a 1 dependiendo de las condiciones de humedad naturales (cimientos) o de puesta en obra (cuerpo de presa).
Para materiales ya complemente saturados en el momento previo a la colocación de la carga se debe suponer que B≥ 0,8. Para materiales colocados en obra o materiales naturales en estado de saturación parcial, Sr, se puede suponer que:
B = 0,8 · Sr2 (Sr = grado de saturación en tanto por uno)
Durante la propia construcción esa presión intersticial puede desaparecer siempre que la permeabilidad del material sea significativa. Por el contrario, para materiales cuyo coeficiente de permeabilidad sea inferior a k = 10-6 cm/s puede aceptarse la simplificación de suponer que dicha disipación es escasa y, quedando del lado de la seguridad, suponer que no existe disipación alguna y, por tanto, que la presión intersticial es igual a la carga aplicada (es decir, =1).
Para casos de permeabilidad intermedia (10-6 cm/s ≤ k ≤ 10-4 cm/s) es recomendable estudiar el problema con algún procedimiento específico para evaluar la posible disipación de presiones intersticiales.
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.
Filtración a través del cimiento de las presas
En casi todas la presas se producen filtraciones a través del cimiento. Para reducirlas se suelen realizar pantallas de impermeabilización, inyecciones o incluso en algunos casos tapices impermeables.
El problema de las filtraciones no sólo es la fuga del agua del embalse sino el posible proceso de erosión interna que se puede producir en el cimiento.
A continuación se describen las actuaciones realizadas en una presa donde se observaron rezumes en una de las laderas de aguas abajo. Las actuaciones aquí realizadas pueden servir de referencia para otros problemas similares.
En este caso en el cimiento existían estratos de areniscas que, por una parte, eran erosionables pero por otra tenían una resistencia suficiente para que en su seno de formen conductos que pudieran dar lugar al fenómeno de la erosión remontante (si las arenas no tuvieran cementación no se podría dar lugar dicho problema en el cimiento).
Las posibles actuaciones que se realizaron actualmente fueron las siguientes:
- Inyectar el cimiento (que ya había sido inyectado con anterioridad)
- Impermeabilizar el cimiento desde la galería con una pantalla de jet-grouting.
- construir pozos de alivio aguas abajo
La primera de las soluciones se descartó porque ya se tenía experiencia de la dificultad de inyectar el cimiento. Las experiencias previas no fueron totalmente satisfactorias a pesar de haber probado varias técnicas.
La solución mediante jet-grouting presentaba las dificultades de ejecución debido a las dimensiones de la galería perimetral.
Finalmente se decidió ejecutar aguas abajo una serie de pozos de alivio aguas abajo. ¿Se reducirían los caudales de filtración con esta actuación? Posiblemente no. Se incrementarían ligeramente. Entonces, ¿por qué se harían? Para que el caudal se capte con una mayor control y de esta manera se podrían controlar las subpresiones aguas abajo de la presa si se abrieran las salidas de los pozos.
Para evitar el arrastre de material por parte de las filtraciones la realización de los pozos de alivio fue completada con la construcción de un filtro invertido.
