Modulo INSPECCIN DE LA CIMENTACIN, EMPOTRAMIENTO Y BORDES DEL EMBALSE C CO OM MI I S SI I N N N NA AC CI I O ON NA AL L D DE EL L A AG GU UA A S SU UB BD DI I R RE EC CC CI I N N G GE EN NE ER RA AL L T T C CN NI I C CA A G GE ER RE EN NC CI I A A D DE E I I N NG GE EN NI I E ER R A A B B S SI I C CA AY Y N NO OR RM MA AS S T T C CN NI I C CA AS SMANUAL PARA CAPACITACIN EN SEGURIDAD DE PRESAS I NDICE Pgina INTRODUCCIN AL MDULOi UNIDAD I. CONSIDERACIONES GEOLGICAS GENERALIDADES I-1 IntroduccinI-1 Objetivos de la UnidadI-1 IMPORTANCIA DE LA GEOLOGA EN EL DISEO DE PRESASI-2 IntroduccinI-2 La funcin de la geologa en el diseo de presasI-3 En qu forma afectan las condiciones geolgicasla seguridad de presasI-4 Consecuencias de deficiencias geolgicasI-5 Presa Baldwin Hills, CaliforniaI-5 Presa Teton, Idaho I-5 Presa St. Francis, CaliforniaI-5 Presa Vaiont, ItaliaI-5 OBTENCIN DE INFORMACIN GEOLGICAI-6 IntroduccinI-6 Fuentes de informacin geolgicaI-6 REVISIN DE LA INFORMACIN GEOLGICAI-7 IntroduccinI-7 Materiales no consolidados (suelo)I-8 Suelos de grano gruesoI-8 Suelos de grano finoI-9 Suelos altamente orgnicosI-9 Propiedades mecnicas de materiales no consolidadosI-9 Caractersticas de los materiales no consolidadosI-10 TubificacinI-11 DeslizamientoI-11 LicuacinI-11 Hundimiento I-11 AsentamientoI-12 Materiales consolidados (roca)I-12 Caractersticas de materiales consolidadosI-13 Dureza y resistenciaI-13 DiscontinuidadesI-14 I NDICE Pgina UNIDAD I. CONSIDERACIONES GEOLGICAS(Contina) IntemperizacinI-14 DisolucinI-14 ResumenI-15 TIPOS DE PRESAS DE MATERIALES GRADUADOSI-15 IntroduccinI-15 Tipos de presas de materiales graduadosI-16 Presas de tierraI-18 Presas de enrocamientoI-18 Materiales de cimentacin y de empotramientosI-18 Tratamiento de la cimentacin y de los empotramientosI-19 Tratamientos para controlar las filtracionesI-20 Pantallas impermeablesI-20 Pantallas impermeables completasI-21 Pantallas impermeables parcialesI-22 Pantallas impermeables profundasI-22 Pantallas impermeables con tablestaca I-23 Delantales impermeables aguas arribaI-23 Drenes aguas abajoI-25 Delantales de drenaje aguas abajoI-25 Drenes de tuberaI-25 Drenes al pie de presaI-25 Pozos de alivioI-26 InyeccionesI-27 Tratamientos para reforzar los materiales de cimentaciny de empotramientosI-29 Eliminacin de material indeseableI-29 Bermas de estabilidadI-29 Consolidacin de suelosI-29 TIPOS DE PRESAS DE CONCRETOI-30 IntroduccinI-30 Tipos de presas de concretoI-30 Presas de gravedadI-30 Presas de contrafuertesI-31 Presas de arcoI-32 Presas compuestasI-34 GalerasI-35 Tratamiento de cimentaciones y de empotramientosI-35 Tratamientos para controlar filtraciones I-36 InyeccionesI-36 Drenes en cimentaciones y en empotramientosI-36 I NDICE Pgina UNIDAD I. CONSIDERACIONES GEOLGICAS(Contina) Tratamientos para reforzar los materiales de cimentacin y de empotramientosI-37 Perfilado de las reas de empotramientosI-38 Remocin y sustitucinI-38 Refuerzos de rocaI-38 BORDE DEL EMBALSEI-39 IntroduccinI-39 Materiales del borde del embalseI-39 Tratamientos del borde del embalseI-39 PREPARACIN DE LA INSPECCINI-40 IntroduccinI-40 Revisin de datosI-40 Comunicacin con el personal de la presaI-42 Herramientas y equipoI-42 Lineamientos generalesI-43 Preparacin de su lista de verificacinI-44 EJ ERCICIO DE LA UNIDADI-45 RESUMENI-51 UNIDAD II. INSPECCIN DE LA CIMENTACIN Y DE LOS EMPOTRAMIENTOS GENERALIDADES II-1 IntroduccinII-1 Objetivos de la UnidadII-1 PROCEDIMIENTOS DE INSPECCIN II-2 IntroduccinII-2 Inspeccin de las reas adyacentesII-2 Recorrido por las reas adyacentesII-2 Consideraciones de seguridad personalII-3 Observacin de las reas adyacentes desde la coronao desde el empotramiento contrarioII-3 Observacin de las reas adyacentes desde aguas abajoII-4 Inspecciones bajo el agua II-4 Inspeccin de la instrumentacin II-5 Cimacios, canaletas y otros dispositivos de medicin del flujoII-5 Cimacios y canaletas: Acciones de inspeccin II-6 Pozos de alivioII-6 I NDICE Pgina UNIDAD II. INSPECCIN DE LA CIMENTACIN Y DE LOS EMPOTRAMIENTOS (Contina) Pozos de alivio: Acciones de inspeccinII-6 Inspeccin de drenesII-7 Drenes al pie de presaII-7 Drenes al pie de presa: Acciones de inspeccinII-8 Drenes obturadosII-8 Inspeccin de socavones, galeras y tnelesII-9 PROBLEMAS CON FILTRACIONESII-9 IntroduccinII-9 Flujo de aguaII-10 Flujo de agua: Acciones de inspeccinII-10 TurbidezII-11 Verificacin de la turbidez II-11 Turbidez: Acciones de inspeccinII-12 Ebullicin de arenasII-12 Ebullicin de arenas: Acciones de inspeccinII-13 Manchado superficial y depsitosII-14 Manchado superficial y depsitos: Acciones de inspeccinII-14 Agua estancadaII-14 Agua estancada: Acciones de inspeccinII-15 Vegetacin exuberanteII-15 Vegetacin exuberante: Acciones de inspeccinII-15 INESTABILIDADII-16 IntroduccinII-16 GrietasII-16 Grietas: Acciones de inspeccinII-16 DeslizamientosII-16 Deslizamientos poco profundosII-17 Deslizamientos poco profundos:Acciones de inspeccinII-19 Deslizamientos de gran profundidadII-19 Deslizamientos de gran profundidad:Acciones de inspeccinII-20 Refuerzos en roca y en taludes II-21 AbultamientosII-22 Abultamientos: Acciones de inspeccin II-22 Depresiones II-22 Depresiones: Acciones de inspeccinII-23 PROBLEMAS DE MANTENIMIENTOII-24 IntroduccinII-24 Erosin por escorrenta superficialII-24 I NDICE Pgina UNIDAD II. INSPECCIN DE LA CIMENTACIN Y DE LOS EMPOTRAMIENTOS (Contina) Erosin por escorrenta superficial: Acciones de inspeccin II-25 EscombrosII-26 Escombros: Acciones de inspeccinII-26 Madrigueras de animalesII-26 Madrigueras de animales: Acciones de inspeccinII-26 Crecimiento vegetal inadecuadoII-27 Crecimiento exagerado de la vegetacinII-27 Vegetacin de races profundasII-28 Crecimiento vegetal inadecuado: Acciones de inspeccinII-28 Acumulacin de sedimentosII-29 Acumulacin de sedimentos: Acciones de inspeccinII-29 Granulometra o drenaje inadecuadosII-29 Granulometra o drenaje inadecuados: Acciones de inspeccinII-30 EJ ERCICIO DE LA UNIDADII-30 RESUMENII-35 UNIDAD III. INSPECCIN DEL BORDE DEL EMBALSE GENERALIDADES III-1 IntroduccinIII-1 Objetivos de la UnidadIII-1 PROCEDIMIENTOS DE INSPECCIN III-1 IntroduccinIII-1 Antes de la inspeccinIII-2 Tcnicas de inspeccinIII-2 Inspeccin del borde en lanchaIII-2 Observacin del borde desde reas adyacentesIII-2 Inspeccin del borde desde el aireIII-3 Inspeccin del borde a pieIII-3 Consideraciones de seguridadIII-3 INSPECCIN DE DEFICIENCIASIII-3 IntroduccinIII-3 DeslizamientosIII-4 Deslizamientos: Acciones de inspeccinIII-4 FiltracionesIII-5 RemolinosIII-5 Remolinos: Acciones de inspeccinIII-6 EscombrosIII-6 I NDICE Pgina UNIDAD III. INSPECCIN DEL BORDE DEL EMBALSE (Contina) Escombros: Acciones de inspeccinIII-6 ErosinIII-6 Erosin: Acciones de inspeccin III-7 Sedimentacin excesivaIII-7 Sedimentacin excesiva: Acciones de inspeccinIII-7 EJ ERCICIO DE LA UNIDADIII-8 RESUMENIII-10 EJ ERCICIO DE REPASO FINAL 1 APNDICES Apndice A: GlosarioA-1 Apndice B: ReferenciasB-1 I LISTA DE FIGURAS FIGURA No.TTULO Pgina I-1Cimentacin, empotramientos y borde del embalseI-3 I-2Causas de fallas en presas entre 1900 y 1975 I-4 I-3Tipos de presas de materiales graduadosI-17 I-4Localizacin de pantallas impermeablesI-21 I-5Pantalla impermeable completaI-21 I-6Pantalla impermeable parcialI-22 I-7Pantallas impermeables de concretoI-23 I-8Delantal impermeable aguas arribaI-24 I-9Delantal impermeable aguas abajoI-26 I-10Pozos de alivioI-27 I-11Pantalla de inyeccinI-28 I-12Vista transversal de una presa de gravedadI-31 I-13Vista simplificada de una presa de contrafuertes de losa planaI-32 I-14Vista simplificada de una presa de arco I-33 I-15Presa compuestaI-34 I-16Drenes de cimentacinI-37 I-17Anclajes en rocaI-38 II-1Ebullicin de arenasII-13 II-2rbol en forma de cacha de pistolaII-18 II-3Deslizamiento superficialII-19 II-4Deslizamiento a gran profundidadII-20 II-5Diferencia entre depresiones menores y dolinasII-23 I LISTA DE TABLAS TABLA No.TTULOPgina I-1Fuentes de informacin geolgicaI-7 I-2Datos geolgicos que se pueden incluir dentrode un archivo de seguridad de presasI-41 I-3Herramientas y equipo de inspeccinI-43 I-4Materiales para la cimentacin de presasI-52 II-1Deficiencias comunes en la cimentacin yen reas de empotramientosII-36 III-1Deficiencias comunes en el borde del embalseII-10 Ii INTRODUCCIN AL MDULO GENERALIDADES DEL MDULO La finalidad de este mdulo es proporcionarle al lector los conocimientos bsicos de cmo la geologa juega un papel importante en los aspectos generales de seguridad ydeestabilidaddelaspresasysusembalses.Seledarnaconocerlasdos categorasbsicasdelosmaterialestrreosydelaspropiedadesqueloshacen adecuadosoinadecuadoscomomaterialesparacimentacinycomo empotramientos, as como su susceptibilidad ante ciertas deficiencias. Tambin se comentarn los tratamientos diseados para evitar deficiencias o para remediar los efectos de ciertas deficiencias. Se presentan mtodos para inspeccionar la cimentacin, empotramientos y borde del embalse junto con procedimientos para identificar las deficiencias o condiciones que pudieran poner en peligro la integridad y seguridad de una presa. OBJ ETIVOS Alterminarelestudiodeestemdulo,ustedsercapazderealizarlassiguientes actividades: Descripcin las propiedades de suelos y rocas que son las ms propensas aafectarlaresistenciaypermeabilidaddeunacimentacinodeun empotramiento. Identificacindelosmaterialestrreosenfuncindesuidoneidadpara resistir el peso de un tipo particular de presa. Identificacindelosdiferentestiposdetratamientoparacontrolde filtraciones a travs cimentaciones o empotramientos y para reforzar stas en el caso de presas tanto de concreto como de materiales graduados. Identificacindelostiposdematerialestrreosqueformanelbordedel embalse y descripcin de los mtodos empleados para controlar filtraciones y tratar inestabilidades en los bordes. Revisindelainformacinyobtencindelequipoadecuadoparapoder llevar a cabo debidamente la inspeccin de la cimentacin, empotramientos y borde del embalse. Seleccindeunmtodoparainspeccionarlacimentacinylos empotramientosdepresasdematerialesgraduadosodeconcretoque pueda proporcionar la cobertura ms precisa y completa. Iii Identificacineinspeccindedeficienciasenlacimentaciny empotramientos que pudieran ya sea: -Afectar directamente la seguridad e integridad de la presa, o -Conducir a problemas ms serios que pudieran afectar la seguridad e integridad de la presa. Evaluacin las deficiencias en la cimentacin y/o en los empotramientos y preparacin de recomendaciones ya sea para corregir la deficiencia o para paliar sus efectos. Explicacindelaimportanciadeincluirelbordedelembalseenuna inspeccin de seguridad de presas. Seleccin de un mtodo adecuado para inspeccionar el borde de embalses pequeos, medianos y grandes. Identificacineinspeccindedeficienciasenelbordedelembalseque pudieran ya sea: -Afectar directamente la seguridad e integridad de la presa, o -Conducir a problemas ms serios que pudieran afectar la seguridad e integridad de la presa. Evaluacindedeficienciasenelbordedelembalseypreparacinde recomendacionesyaseaparacorregirladeficienciaoparamitigarsus efectos. Registrar debidamente sus resultados para poder contar con una bitcora precisa y til para referencia futura. CMO SE DEBE USAR ESTE MDULO Este mdulo se ha diseado para usarse en combinacin con otros mdulos de la serie TADS sobre Ayudas de Capacitacin para la Seguridad de Presas. En la Gua de Aprendizaje de TADS se enumeran todos los mdulos de esta serie y se presenta la secuencia recomendada para poderlos estudiar. Tal vez aconsejable para usted repasar la Gua de Aprendizaje antes de estudiar el presente mdulo. Iiii CONTENIDO DE ESTE MDULO Este mdulo est integrado por tres unidades seguidas por dos apndices: UnidadI.Consideracionesgeolgicas:Se presenta informacin acerca delasreasgeolgicascubiertasenunainspeccindeseguridadde presas, se clasifican los materiales trreos en dos categoras bsicas y se discuten los diferentes tipos de presas, los materiales trreos con los cuales seconstruyegeneralmenteunapresa,ylaformaenquesetratanlos materialestrreosparacontrolarlasfiltracionesyparamejorarsu resistencia. UnidadII.Inspeccindelacimentacinydelosempotramientos: Se describenlastcnicasparainspeccionarlacimentacinylos empotramientos de una presa, los tipos de deficiencias que se encuentran generalmente en la cimentacin y en los empotramientos y lo que debera hacerse al detectar estas deficiencias. Unidad III. Inspeccin del borde del embalse: Se describen las tcnicas parainspeccionarelbordedelembalse,lostiposdedeficienciasquese encuentran generalmente en el borde del embalse y lo que debera hacerse al detectar estas deficiencias. ApndiceA. Glosario. Se definenlos trminos tcnicos usados en este mdulo. ApndiceB.Referencias.Seenumeranlasreferenciasrecomendadas que se pueden usar como complemento de este mdulo. DISEO DE ESTE MDULO Estemduloconstituyeunpaquetedeinstruccinreguladoa criterio. Usted podr avanzarensucontenidotanlentootanrpidocomoleconvenga.Ustedpodr detenerseyrepasarelmaterialencualquiermomento.Yaqueelmduloest diseadoparaestudioindependiente,ustedpodrtomartodoslosrecesosque necesite. Varios de los componentes de este mdulo estn diseados para ayudarlo a dominar el material que se presenta. Entre estos componentes estn los siguientes: Instrucciones escritas Ejercicios de la unidad Ejercicio final de repaso Iiv Acontinuacinpresentaremoslamaneraenqueustedaplicarcadaunodelos componentes en forma individual. Instrucciones escritas Lasinstruccionesescritassepresentanenestecuadernodetrabajo.Siempre empiece leyendo el texto ya que en l se explica la forma de proceder a lo largo de un bloque de instrucciones. A medida que lea el material escrito, usted observar que en cada pgina de inicio decadacaptulohayunencabezadoquesirveparareferirallectoralpuntodel mdulo en que se encuentra. La informacin que se presenta en dicho encabezado es la siguiente: TTULO DEL MDULO INSPECCINDELACIMENTACIN,EMPOTRAMIENTOSY BORDES DEL EMBALSE I. CONSIDERACIONES GEOLGICAS: OBTENCIN DE LA INFORMACIN GEOLGICA TTULODELA UNIDAD CONSECUENCIAS DE LAS DEFICIENCIAS GEOLGICAS CAMPO PARA ELTPICO PRINCIPALTTULO DE LA SECCIN Ejercicios de la unidad La mayora de las unidades incluye ejercicios para ayudarlo a determinar su grado de avance en el dominio de la informacin presentada. Estos ejercicios no constituyen exmenes y no servirn para calificarlo o para juzgar su desempeo. En vez de ello, los ejercicios son herramientas que le ayudarn a evaluar su propio aprendizaje. Las instrucciones para resolver los ejercicios aparecen al principio de cada uno de los ejercicios. Las respuestas a los ejercicios se presentan inmediatamente despus de cada uno de ellos. Ejercicio de repaso final Despus de leer las instrucciones escritas y de ver los segmentos de video, pasar a resolver un ejercicio de repaso final. El ejercicio de repaso final est diseado para Iv ayudarloadeterminarsugradodeconocimientodeestemdulo.Elejerciciode repaso final no se aplicar para calificarlo ni para evaluar su desempeo. Las instrucciones para resolver el ejercicio de repaso final se presentan al inicio del mismo. Despus de terminar el ejercicio de repaso final, coteje sus respuestas con las que se presentan en la clave de respuestas. El control de respuestas se ubica inmediatamente despus del ejercicio de repaso final. Si usted omite varias de las preguntas, tal vez se interese en repasar los nmeros de pginaalosquesehacereferenciaenelcontrolderespuestas.Siresponde correctamente a la mayora de las preguntas, estar listo para empezar otro mdulo. Presentaciones en video Este mdulo no est acompaado por una presentacin en video. Sin embargo, los mdulosintituladosInspeccindepresasdetierraeInspeccindepresasde concreto y de mampostera vienen acompaados por presentaciones en video para demostrarlosprocedimientosdeinspeccinylastcnicasnecesariasparala inspeccin de cimentaciones, empotramientos y bordes del embalse de una presa de materiales graduados o de concreto. MATERIALES NECESARIOS Para resolver este mdulo, usted necesitar este cuaderno de trabajo y un lpiz o pluma. Si usted desea proyectar las presentaciones en video Inspeccin de presas detierraeInspeccindepresasdeconcretoydemampostera,ustedtambin necesitar un reproductor de videocintas. Esconvenientequeustedtrabajeenunlugartranquilomientrasestudiaestos materiales. II - 1 I.CONSIDERACIONES GEOLGICAS: GENERALIDADES INTRODUCCIN Enestaunidadsedescribenlascaractersticasgeolgicasdelasreas inspeccionadasduranteunainspeccindeseguridaddepresas,ascomolas razones para obtener informacin geolgica, las fuentes de consulta de informacin geolgica, y el papel que desempea la geologa en el diseo de una presa y de su embalse. Debido a que la clasificacin de suelos y de rocas puede llegar a ser muy detallada, y a que las propiedades de suelos y rocas varan de un sitio a otro, en este mdulo no se pueden presentar definiciones especficas de cada tipo de suelo y de roca. Para finesdeinspeccindelacimentacin,empotramientosybordedelembalseun inspectorslonecesitacontarconconocimientosgeneralesacercademateriales trreos. Por lo tanto, en este mdulo los materiales trreos se han dividido en dos tipos bsicos: Materiales no consolidados (suelo) -Grava -Arena -Limo -Arcilla -Materia orgnica (turba) Materiales consolidados (roca) Tambinsedescribendiferentestiposdepresasdematerialesgraduadosyde concreto,lostiposdematerialestrreossobreloscualesseconstruyen generalmente las presas, y los tratamientos que se aplican a los materiales trreos paraayudaracontrolarlasfiltracionesyareforzarlacimentacinylasreasde empotramientos.Porltimo,sepresentanlascondicionesgeolgicasquepueden existir en el borde del embalse y los diversos tratamientos usados para controlar las filtraciones y reforzar las zonas potencialmente inestables. OBJETIVOS DE LA UNIDAD Despusdeterminarelestudiodeestaunidadustedsercapazderealizarlas siguientes actividades: Descripcindelaspropiedadesdesuelosyrocasquesonlasms propensasaafectarlaresistenciaypermeabilidaddeunacimentacino empotramiento. II - 2 Identificacindelosmaterialestrreosenfuncindesuidoneidadpara soportar un tipo particular de presa. Identificar los diferentes tipos de tratamientos para controlar las filtraciones yparareforzarlacimentacinolosempotramientosdepresastantode concreto como de materiales graduados. Identificacin de los tipos de materiales trreos que componen los bordes delembalseydescripcindelosmtodosempleadosparacontrolarlas filtraciones y para tratar la inestabilidad del borde. Revisarlainformacinyadquirirelequiponecesarioparapoderllevara cabodebidamenteunainspeccindelacimentacin,empotramientosy borde del embalse. I. CONSIDERACIONES GEOLGICAS: IMPORTANCIA DE LA GEOLOGA EN EL DISEO DE PRESAS INTRODUCCIN La inspeccin de una presa significa algo ms que revisar las caractersticas fsicas delapropiapresa.Lacimentacin,losempotramientosyelbordedelembalse jueganunpapelimportanteenlaintegridadyseguridaddelapresaporque proporcionanelapoyodelapresayguardanelaguaenelreadelembalse.En muchoscasos,lacausadelafalladeunapresanohaestadoenlaestructura propiamentedicha,sinoenlascondicionesgeolgicasbajolacimentacinylos empotramientos. A continuacin se presenta la definicin de cimentacin, empotramientos y borde el embalse. Cimentacin. La cimentacin de una presa es la parte del fondo del valle quesubyaceysoportaalaestructuradelapresa.Debidoaquela cimentacinnoesrealmenteodirectamentevisible, usted deber confiar en observaciones de las condiciones cercanas a la cimentacin para poder inferir el comportamiento de la cimentacin. Empotramientos. Los empotramientos son aquellas partes de las laderas deunvallequesubyacenysoportanlaestructuradelapresay generalmenteseconsideraquetambinincluyenlasladerasdelvalle localizadas inmediatamente aguas arriba y aguas abajo de la presa. Bordedelembalse.Elbordedelembalseeslafronteradelvasoque abarcatodaslasreasalolargodelasladerasdelvallequeestnpor arriba y por abajo de la superficie del agua. II - 3 En la Figura I-1 se ilustra una presa y su embalse, y se identifica la cimentacin, los empotramientos y el borde del embalse. FIGURA I-1. CIMENTACIN, EMPOTRAMIENTOS Y BORDE DEL EMBALSE LA FUNCIN DE LA GEOLOGA EN EL DISEO DE PRESAS Antesdepoderseleccionaruntipoespecficodepresaparaunsitiodado,se deberntomarencuentaciertosfactoresgeolgicos.Latopografadeunsitio propuesto para una presa desempea un papel importante en la determinacin del tipo de presa que se va a construir en ese sitio. Por ejemplo, un canal fluvial angosto entre paredes altas de roca podra sugerir la construccin de una presa de concreto en arco con un vertedor abierto de desfogue. Un terreno bajo y plano podra permitir unapresadetierraconuncanalvertedorlateral.Laubicacindelvertedorenun aspecto que est gobernado en gran medida por la topografa y geologa locales y generalmente tiene un impacto importante en la seleccin final del tipo de presa. Otrofactorquedeterminaeldiseodeunapresacorrespondealosmateriales trreosdisponiblesenelsitio.Lasinvestigacionesdelsitiopuedenrevelarquese cuenta con materiales adecuados para la construccin de un tipo particular de presa enelsitiopropuesto.Porejemplo,podranexistirsuelosadecuadosparala construccin de terraplenes; roca para terraplenes y proteccin de taludes; o arena, gravaopiedratriturablequepodranservircomoagregadosparaelconcreto. Adems, las cargas y los esfuerzos transmitidos por una presa y por el agua sobre la cimentacin y los empotramientos, as como la compresibilidad y resistencia de los materiales de la cimentacin y de los empotramientos afectarn el tipo de presa que se vaya a construir. AristnEmpotramiento Obras de desfogue Cimentacin Vertedor Borde del embalse II - 4 ENQUFORMAAFECTANLASCONDICIONES GEOLGICAS LA SEGURIDAD DE PRESAS EnlaFiguraI-2semuestraquelascondicionesgeolgicasqueafectanalas cimentacionesylasfiltracionesfueronlasresponsablesdeungranporcentajede fallas de presas entre 1900 y 1975. Es posible que incluso algunos de los casos de desbordamientofueranafinaldecuentascausadosporunacondicingeolgica, como puede ser el caso de una gran masa de material que desliza hacia el embalse bloqueandolosdesfoguesocausandograndesolasquepasanporencimadela presa. FIGURA I-2. CAUSAS DE FALLAS DE PRESAS ENTRE 1900 Y 1975 02 58 230 34 6 321 35518029CONCRETO DesbordamientoCimentacinTubificacin y filtracionesOtrasTERRAPLEN Desbordamiento Cimentacin Tubificacin y filtraciones Otras TODOS LOS TIPOS Desbordamiento Cimentacin Tubificacin y filtraciones Otras PORCENTAJE DE FALLAS (Se excluyen las fallas ocurridas durante la Construccin y por acciones blicas) II - 5 CONSECUENCIAS DE DEFICIENCIAS GEOLGICAS Enlossiguientescasosrealesseilustralanecesidaddeidentificarcondiciones geolgicasquepudieranponerenpeligrolaintegridadyseguridaddeunapresa. Slo se presentan los puntos culminantes de las situaciones. Si usted desea conocerms a fondo estas fallas de presas, as como otras fallas, refirase a la publicacin delBureauofReclamationintituladaDamsandPublicSafety(Laspresasenla seguridad pblica). Presa Baldwin Hills, California Despusde12aosdeconstruida,lapresaBaldwinHillsfallen1963como resultado del desplazamiento de la cimentacin. Aunque la actividad que precipit el colapsonoseatribuyaltemblor,elmovimientoseconcentrenlasfallasque actuaroncomoplanosdedebilidaddelacimentacin.Comoresultado,el revestimientodelembalseylosdrenessubterrneossedaaronyelaguabajo presin penetr en las areniscas y limolitas suaves, permeables y muy erosionables delacimentacin.Ladestruccinfuerpidaunavezqueseinicilafiltracinsin control. Esta inundacin caus cinco muertes, destruy 41 casas y da otras 986. Presa Teton, Idaho El5dejuniode1976falllapresaTetonenIdaho,causando11muertesy400 millones de dlares en prdidas materiales. En un estudio para determinar la causa de la falla se atribuy sta a erosin interna (tubificacin) del ncleo de la presa a gran profundidad en la trinchera derecha de anclaje de la cimentacin. Las partculas de suelo erosionado encontraron salidas a travs de la roca del empotramiento que no estaba bien sellada y era altamente permeable, hasta llegar a puntos en el aristn derechoaguasabajodelapresa.Lascondicionesdecimentacinylas caractersticas del suelo usado como relleno de la zanja de anclaje no se tomaron debidamente en cuenta durante el diseo de la presa. Presa St. Francis, California El12demarzode1928falllapresaSt.FrancisenCaliforniaduranteelprimer llenado y caus la muerte de aproximadamente 450 personas. La presa St. Francis era una estructura de concreto en arco tipo gravedad. La falla de la presa se atribuy a la prdida de resistencia en la roca de cimentacin debida a filtraciones. Presa Vaiont, Italia Uno de los ms destructores desastres en vasos de almacenamiento de todos los tiempossucediel9deoctubrede1963enlapresaVaiontenItalia.Durantela noche, una masa de roca que meda cerca de 19.2 km de longitud cay dentro del embalse.Elimpactodelagranmasaprovocolasgigantescasquehicieron II - 6 desbordar la estructura con una altura de 91 m. La presa en s no sufri mayores daosapesardehabersidogolpeadaconunafuerzatotaldelordendecuatro millonesdetoneladasproducidasporeldeslizamientoyporlaspresionesde desbordamiento. Durante el desastre se perdieron 2000 vidas. OBTENCIN DE INFORMACIN GEOLGICA INTRODUCCIN Los materiales trreos se comportan de muy diferentes maneras dependiendo de las condiciones a las que queden sometidas. Algunas de las condiciones impuestas en los materiales trreos por una presa y su embalse son las siguientes: Aplicacin de cargas Descarga Saturacin Secado Siseentiendelaformaenqueelsueloylarocasecomportarnbajoestas condiciones,serposiblebuscarciertostiposdedeficiencias.Adems,el conocimiento del comportamiento de suelos y rocas tambin podr afectar el tipo de recomendacinqueustedhagaaldetectarciertasdeficiencias.Porejemplo,sise encuentra con filtraciones turbias o nebulosas en un rea con materiales arenosos finos,usteddebersospecharqueseestproduciendotubificacinydeber recomendartomarmedidasinmediatasparaconfirmarsiestocurriendoerosin internaascomoparacorregirlasituacinantesdequesepresentelafalla.Sin embargo, si el agua de las filtraciones es relativamente clara y est brotando a travs delaroca,ustedsimplementetendrquerecomendarquesevigilelazonapara saber si aumenta el caudal. Antesde inspeccionar la cimentacin, los empotramientos y el borde del embalse, usted deber revisar informacin relacionada con: Condiciones superficiales y subterrneas en el sitio, incluyendo los tipos de suelo y de roca. Actividad ssmica y zonas de falla en el sitio. Condicionesenelsitioocercadestequepuedandarlugara hundimientos. FUENTES DE INFORMACIN GEOLGICA En muchos casos, antes de disear una presa, se llevan a cabo investigaciones de los materiales trreos en el sitio propuesto. Se ejecutan pruebas en estos materiales para determinar su permeabilidad y su comportamiento ante las cargas y esfuerzos a II - 7 lasqueestarnsometidosporelpesodelapresaydelembalse.Sedebern registrarlostiposdematerialesencontradosenelsitioylosresultadosdelas pruebas a las que fueron sometidos. Siyasellevacabounainspeccininicialoformaldelaseguridaddelapresa, deber existir un Archivo de Seguridad de Presas para esa estructura y los registros delasinvestigacionesdecamposepuedenencontrar dentro del archivo. Si estos registrosnoestnenelArchivodeSeguridaddePresas,ustedpodrobtener informacin acerca de las investigaciones en el sitio con el propietario de la presa, o con el diseador o constructor de la misma. Sinosecuentanconlosregistrosdeunainvestigacindesitio o si no se llev a cabo una investigacin de campo, se podrn explorar otras fuentes de informacin geolgica.EnlaTablaI-1seenumeranotrasfuentesenlascualesustedpodra obtener informacin acerca de la geologa de un sitio en particular. TABLA I-1. FUENTES DE INFORMACIN GEOLGICA Fuentes documentadasFuentes de organizaciones Otras fuentes Mapas geolgicos estatales Mapas geolgicos municipales Mapas topogrficos de suelos Estudios especiales Mapas de minas subterrneas Mapas que muestran zonas ssmicas y de fallas Oficinas de levantamientos geolgicos estatales y nacionales Agencias estatales de seguridad de presas Servicios de extensin locales o municipales Secretara de Gobernacin Servicio de Conservacin de Suelos Gente que vive cerca de la presa Propietario u operador de la presa Bibliotecas locales o universitarias Contratistas REVISIN DE LA INFORMACIN GEOLGICA INTRODUCCIN Existen innumerables clasificaciones y descripciones diferentes de suelos y de rocas. Raravezseencuentrapresenteenelsitiodelaobraunsolotipodemateriales II - 8 trreos.Lamayoradelossitiosparapresasestnconstituidospormuchos materiales diferentes que exhiben distintas propiedades mecnicas. En esta seccin no se describirn todas y cada una de las clasificaciones de suelos y rocas.Esetipodedescripcinimplicarauntratamientomsafondodelaspecto especfico de geologa que no est previsto dentro de los alcances de este mdulo deinspeccin.Sloserequiereunconocimientogeneralesdelossuelosyrocas parapoderllevaracaboadecuadamenteunainspeccindeseguridaddepresas. Por lo tanto, slo se describirn aquellas caractersticas de materiales trreos que se veandirectamenteafectadasporlascondicionesimpuestassobreellosporuna presa y su embalse. Los materiales trreos se dividirn en dos categoras bsicas: Materiales no consolidados (suelos) Materiales consolidados (rocas) MATERIALES NO CONSOLIDADOS (SUELOS) Losmaterialesnoconsolidadossepuedendefinircomopartculasescasamente arregladas o no cementadas a las que comnmente se les conoce como suelo. Los suelos se dividen en tres divisiones bsicas: De grano grueso De grano fino Altamente orgnicos Suelos de grano grueso Ladiferenciaentresuelosdegranogruesoysuelosdegranofinosebasaenla granulometra (o distribucin de tamaos de partculas). Un suelo de grano grueso es un suelo en el que la mayora de las partculas son granos gruesos. La divisin entre partculas de grano fino y partculas de grano grueso en la malla No. 200. Todas las partculas retenidas en la malla No. 200 son de grano grueso. Todas las partculas de suelo que pasan a travs de la malla No. 200 son de grano fino. Laspartculasdegranogruesosedividenasuvezenpartculasdeltamaode gravas y partculas del tamao de arena. Grava. Partculas de suelos cuyo tamao vara entre 6.3 mm y 76.2 mm (o partculas que pasan la malla de 76.2 mmy se retienen en la malla No. 4). Arena. Partculas de suelos cuyo tamao vara entre 0.074 mm y 6.3 mm(o partculas que pasan la malla No. 4 y se retienen en la malla No. 200). II - 9 Suelos de grano fino Segn se mencion anteriormente, todas las partculas de suelo que pasan la malla No. 200 se consideran de grano fino. Los suelos de grano fino estn formados por arcillas y limos. Tanto las arcillas como los limos estn constituidos por partculas de grano fino (0.074 mm o menor, en dimetro). La diferencia entre ambos est en su comportamiento fsico. Arcilla.Partculasdesuelofinoquemuestranplasticidad(propiedades parecidasalamasilla)dentrodeunciertointervalodevariacinde contenido de agua, y que poseen una resistencia considerable al secarse al aire. Limo.Partculasdesuelofinoquenosonplsticaosonligeramente plsticas, y que poseen muy poca o nula resistencia despus de secarse al aire. Suelos altamente orgnicos Los suelos altamente orgnicos estn formados bsicamente por materia vegetal en diversosestadosdedescomposicin.Estossuelosseidentificanporcolor,olor, constitucin esponjosa, y frecuentemente por su textura fibrosa. Lossuelosaltamenteorgnicosseclasificangeneralmentecomoturba.Sin embargo, esta clasificacin se basa en observacin visual ms que en pruebas de laboratorio. Adems, no existen criterios para diferenciar entre una turba y los suelos orgnicos. Si el material est constituido principalmente por materia vegetal, se deber clasificar como turba. Si el material no contiene fibras y tiene apariencia predominantemente mineralaunqueconcaractersticasorgnicas(coloroscuro,olor,apariencia esponjosa), entonces se podr sospechar que corresponde a un suelo orgnico. Las descripciones de materiales no consolidados presentadas anteriormente tienen uncarctermuysimple.Siusteddeseaobtenermayorinformacinacercadela clasificacindesuelos,podrconsultarelSistemaUnificadodeClasificacinde Suelos en el Manual de Capacitacin No. 4 Clasificacin de suelos en el laboratorio publicadoporelBureauofReclamation,ocualquieradeloslibrosdetextode mecnica de suelos. Propiedades mecnicas de materiales no consolidados A continuacin se presentan descripciones bsicas de las propiedades mecnicas de lascincocategorasdematerialesnoconsolidados.Sinembargo,cuandose II - 10 mezclanestosmateriales,suspropiedadesmecnicasvarandependiendodela composicin de la mezcla. Grava. Las gravas bien graduadas y compactadas son materiales estables. Cuando carece de finos, la grava es permeable, fcil de compactar y poco susceptible a la humedad y a la accin de las heladas. Arena.Laarena,aligualquelagrava,estambinunmaterialestable cuando est bien graduada y bien compactada. Sin embargo, la arena es menos permeable y no tan estable como la grava. A medida que la arena sevuelvemsfinaymsuniformeseacerca a las caractersticas de un limo, con su correspondiente disminucin en permeabilidad y reduccin en estabilidad al entrar en contacto con agua. Arcilla. Las arcillas son finos plsticos. Ellas tienen una baja resistencia a la deformacin en estado hmedo pero al secarse se convierten en masas durasycohesivas.Lasarcillassonprcticamenteimpermeables,difciles de compactar en estado hmedo y difciles de drenar. Una gran expansin y contraccin al cambiar el contenido de agua es una caracterstica de las arcillas. Limo.Loslimossonfinosnoplsticosoligeramenteplsticos.Son inestables intrnsecamente al estar en contacto con agua y tienen tendencia a licuarse en estado saturado al someterse a vibraciones (temblores) para alcanzarelcarcterdeunfluidoviscoso.Loslimossonbastante impermeables,difcilesdecompactar(aunquemenosquelasarcillas)y muy susceptibles a expandirse por las heladas. Muchos de los suelos finos, incluyendo a los limos, se contraen al secarse y seexpandenalhumedecerse,locualpodraafectaradversamentealas estructuras construidas sobre ellos. Materia orgnica. La materia orgnica en forma de vegetacin parcialmente en descomposicin es el principal constituyente de los suelos turbosos. Los suelos orgnicos tienen un color gris oscuro o negro y generalmente tiene el olor caracterstico de material en descomposicin. La tendencia entre los suelosconunaltocontenidoorgnicoparacrearvacospor descomposicinoparacambiarelcarcterfsicodeunamasadesuelo mediantealteracionesqumicaslosconvierteenmaterialesindeseables para usos en ingeniera. Caractersticas de los materiales no consolidados Generalmente los materiales no consolidados que se encuentran en un sitio son una mezcla de grava, arena, limo, arcilla y/o turba. Al realizar la exploracin del sitio, se II - 11 ejecutanpruebasenlossuelosparadeterminar,entreotrascaractersticas,las siguientes: ! Granulometra ! Permeabilidad ! Resistencia al esfuerzo cortante y capacidad de carga Debido a que los materiales trreos cambian de un sitio a otro, usted debe confiar en estudios geolgicos del rea para determinar la composicin bsica de los materiales de cimentacin y de empotramientos. Los materiales no consolidados poseen ciertas caractersticas que llegan a generar problemas estructurales en la cimentacin o en los empotramientos. Entre estas caractersticas est la susceptibilidad a: ! Tubificacin ! Deslizamiento ! Licuacin ! Hundimiento ! Asentamiento Tubificacin Losmaterialesnoconsolidadossonsusceptiblesaerosininternainducidapor filtraciones del embalse. Esta erosin, llamada tubificacin, puede en ltima instancia dar lugar a la falla de la cimentacin o de los empotramientos, y por lo tanto de la presa,sinosecorrigenatiempo.Aunquelasgravasnosonsusceptiblesala tubificacin, ellas generalmente contienen una cierta cantidad de finos (arena, limo) que pueden ser deslavados. Cuando los finos son arrastrados, se crean vacos y la grava se puede volver inestable. Deslizamiento Losmaterialesnoconsolidadospuedensersusceptiblesadeslizamiento dependiendodesuespesorsobrelarocasubyacente,delainclinacindeltalud sobre el cual descansan, de la resistencia al esfuerzo cortante del material y de las condiciones del agua subterrnea. Licuacin La licuacin puede ocurrir en cimentaciones y empotramientos en estado saturado constituidos por suelos pobremente compactados y no plsticos tales como arenas y limos.Cuandosesometenalasvibracionesdeuntemblorestosmaterialesse pueden volver movedizos y pueden fluir trayendo como resultado deformacin o falla de la presa. Hundimiento II - 12 En regiones con depsitos elicos (acarreados por el viento) o de flujos de lodo, el hundimientopuedeserunproblemacuandoelmaterialsesatura.Elhundimiento tambinpuedeserdebidoalaextraccindeaguasubterrneaodepetrleo,oa ciertostiposdeexplotacionesmineras.Laaparicindegrietasodegrandes depresiones puede evidenciar la ocurrencia de hundimientos. Asentamiento Pueden presentarse asentamientos en la cimentacin cuando un suelo relativamente sueltosoportaelpesodelterraplnsobreyacente.Puedeocurrirasentamiento diferencialdelacimentacincuandounacimentacinformadapormaterialescon caractersticas de deformacin substancialmente diferentes, tales como suelo y roca, essometidaalpesodelapresa.Elsueloseasentarmientrasquelaroca generalmente no lo har. MATERIALES CONSOLIDADOS (ROCA) Los materiales consolidados, o roca, se clasifican como sigue: ! Unacombinacindeunoomsminerales(pej.granito,esquisto, mrmol), o Una masa de minerales no detectados individualmente a simple vista (p. ej. obsidiana), o Una masa de material orgnico slido (p. ej. carbn). Todas las rocas se pueden clasificar dentro de tres grupos principales: Rocasedimentaria.Rocaformadaapartirdelaconsolidacinde sedimentos sueltos o de material orgnico. Las rocas sedimentarias son generalmente menos competentes que otros tipos de rocas y tienden a intemperizarse ms rpidamente. Las rocas sedimentarias ms comunes son: Lutitas Areniscas Limolitas (dolomitas) Rocametamrfica.Cualquierrocaderivadaderocaspreexistentesa causadecambiosmineralgicos,qumicosyestructurales.Estos cambiosestructuralessurgencomorespuestaacambiosbruscosen temperatura,presin,esfuerzocortante,yentornoqumicoacierta profundidad bajo tierra. Las rocas metamrficas son generalmente ms II - 13 competentesquelasrocassedimentariasynoseintemperizantan rpidamente. Son estratificadas y su resistencia no es uniforme. Entre las rocas metamrficas ms comunes estn las siguientes: Pizarra Esquisto Gneis Rocagnea.Rocaquehasolidificadoapartirdematerialparcialo totalmentederretido.Lasrocasgneasvarandesdelasplutnicas (formadasagranprofundidad)hastalasextrusivas(expulsadasala superficiedelatierra).Lasrocasgneassonlasmsisotrpicas (uniformes en todas direcciones) y son generalmente las ms duras de todos los tipos de roca. Entre las rocas gneas ms comunes estn las siguientes: Riolita Basalto Gabro Granito Caractersticas de materiales consolidados Unciertonmerodecaractersticassetomaencuentaantesdedecidirsiuna formacinrocosaesadecuadacomomaterialdeapoyodeunapresa.Entreellas estn las siguientes: Dureza y resistencia Discontinuidades (aberturas o fracturas) Intemperizacin Disolucin Dureza y resistencia Senecesitadeterminarladurezaylaresistenciaalacompresindelarocapara podertenerunaideadelaformaenquesecomportarlamasaderocaalestar sometida a las cargas y esfuerzos transmitidos por una presa y por su embalse. La dureza y la resistencia de una masa de roca en particular se determinan en funcin decmoseformlarocaoriginalmente,delacomposicindelaspartculas constitutivas de la roca y de las presiones ejercidas sobre ella por el suelo durante su formacin. Sobra decir que mientras ms resistente es la roca, ms estable ser la cimentacin que proporciona. II - 14 Lainformacinacercadeladurezaydelaresistenciaalacompresinsepuede conseguircomopartedelosdatosgeolgicosqueseincluyenenelArchivode Seguridad de Presas o en otras fuentes de consulta. Discontinuidades Las discontinuidades o aberturas en la roca pueden afectar a una presa de diferentes maneras. Por ejemplo: Ellas constituyen vas de acceso para que el agua subterrnea o el agua del embalse pueda infiltrarse. Ellasconstituyencimentacionesyempotramientosinestablessiestn muy fracturadas, o si las fracturas corren en una direccin que permite el deslizamiento. Entrelasdiscontinuidadesestnlasfallas,cizallamiento,juntasylaminacin (formacin cristalina de roca en capas superpuestas). De todos los diferentes tipos dediscontinuidades,lasfallassonlasmsproblemticas.Lasfallassonfracturas queresultandelafallaporcortantedelarocainducidaporgrandesesfuerzos ejercidos sobre ellas. La liberacin de estos esfuerzos puede dar lugar a un temblor. El principal efecto de una falla es el desplazamiento de una o de ambas masas de rocaqueseencuentranaambosladosdelamisma.Enlamayoradelasfallas pequeas,eldesplazamientonovaasergrande.Sinembargo,losgrandes movimientosalolargodelasfallaspuedentenerunaprofundainfluenciaen estructuras construidas sobre ellas. Las fallas pueden tambin actuar como zonas a lo largo de las cuales el agua fretica puede moverse ms rpidamente que a travs de la masa de roca vecina. LosregistrosgeolgicosdelArchivodeSeguridaddePresasuotrasfuentesde consulta deberan contar con informacin acerca de cualquier falla presente bajo el sitio de la presa o alrededor de ste. Si la presa se ubica sobre una zona fallada o muy cerca de ellas, puede ser susceptible a inestabilidad durante actividad ssmica. Intemperizacin La intemperizacin es el deterioro de la roca debido a variaciones de temperatura, a ciclos de congelacin y descongelacin, a la accin del sol, viento, lluvia, plantas o actividadanimal,yaefectosqumicos.Elintemperismoeslaalteracinqumicao mecnicadelarocaquepuedeafectardemaneraimportantelaspropiedades mecnicasdelarocaydelamasaderoca.Losefectosdelintemperismo generalmente son menores con la profundidad. La intemperizacin puede aumentar la compresibilidad de la roca, disminuir la resistencia por cortante y a la compresin, disminuir la resistencia a la erosin y aumentar la permeabilidad. II - 15 Disolucin La disolucin es la disgregacin de la roca por el agua infiltrada que circula a travs dejuntas,grietasuotrotipodeaberturas.Estasaberturasseagrandanporesa razn y el flujo de infiltracin aumenta. Con el tiempo, la estabilidad de la masa de roca puede quedar en peligro. La caliza, dolomita, yeso y halita son particularmente susceptibles al proceso de solucin. La disolucin se puede detectar como manchas en la superficie y depsitos en la parte exterior de la roca, o mediante pruebas de calidad en el agua. RESUMEN En esta seccin se describieron brevemente las caractersticas del suelo y de la roca quedebenser tomadas en cuenta al determinar su idoneidad como materiales de cimentacin,empotramientosybordesdelembalse.Estascaractersticasdeben considerarse antes de disear y construir una presa. Acontinuacin,analicemoslostiposbsicosdepresasqueustedestar inspeccionandoenrelacinconlatopografaygeologaqueseconsideran adecuadas para cada tipo de presa en particular. A pesar de que ciertos materiales y lugares topogrficos se pueden considerar como adecuados para un tipo especfico de presa, usted podr encontrar situaciones en las que una presa se construy sobre algnmaterialdiferentealqueaparentementeeraeladecuado.Siletoca inspeccionar una presa que se construy sobre un material que usted no considera como el ms adecuado, usted deber proceder como sigue: # Revisecuidadosamentelosregistrosgeolgicosylasbitcorasde construccin en el Archivo de Seguridad de Presas para determinar por qu seseleccionesesitioenparticularyporquseconstruyesetipo especfico de presa en ese sitio. # Revise los registros de construccin para determinar si la cimentacin y los empotramientos recibieron tratamientos para: Mejorar su resistencia y capacidad de carga. Controlar las filtraciones y evitar la tubificacin (permeabilidad). Mejorarlosmaterialestrreosdetalformaqueseanmsadecuados como cimentacin o empotramientos. TIPOS DE PRESAS DE MATERIALES GRADUADOS INTRODUCCIN II - 16 Laspresasdematerialesgraduadossedefinencomoaqullasconstruidas bsicamente a partir de materiales naturales de la tierra, es decir, suelo y roca. En trminos generales, las presas de materiales graduados poseen ciertas ventajas con respectoalasestructurasdeconcretoenlo que se refiere a topografa del sitio y economa. Topografa del sitio: Debido a que las presas de materiales graduados son msflexibles y pueden tolerar cierto asentamiento, se pueden desplantar sobrecimentacionesdesuelo.Lacimentacinylosempotramientosde roca que se necesitan para soportar las cargas transmitidas por una presa deconcretonosonnecesariosenestecaso.Porlotanto,laspresasde materialesgraduadossepuedenconstruirenmuchossitiosdondelas presas de concreto no podran desplantarse y por otro lado las presas de materiales graduados se adaptan mejor a ubicaciones en campo abierto. Economa: Las presas de materiales graduados se construyen a partir de materiales excavados en el sitio de la presa o cerca de ste, generalmente con un mnimo de procesamiento. Este tipo de construccin se considera con frecuencia menos costoso que la construccin en la que se especifica la produccin y colocacin de concreto masivo. La principal desventaja de una presa de materiales graduados es que puede daarse oinclusodestruirseporefectosdelaerosindelaguacuandolaalturaola capacidad del vertedor insuficientes permiten el desbordamiento. En esta seccin se describe lo siguiente: Los diferentes tipos de presas de materiales graduados. Lostiposdematerialestrreossobreloscualesgeneralmentese construyen las presas de materiales graduados. Losdiferentestratamientosqueseusanparacontrolarlasfiltracionesa travsdelosmaterialesdecimentacinydeempotramientosypara reforzar stos. TIPOS DE PRESAS DE MATERIALES GRADUADOS Existen dos categoras principales de presas de materiales graduados: de tierra y de enrocamiento. Aunque cada autor y cada organismo tiene una definicin diferente de lo que son las presas de tierra y de enrocamiento, las definiciones que se usan ms comnmente son las siguientes: Presadetierra:Unapresaquecontienemsdel50%,envolumen,de materiales trreos (relleno formado por materiales de suelo y de roca que tienen tamaos donde predominan los de gravas o menores). II - 17 Presadeenrocamiento:Unapresaquecontienemsdel50%de materiales de enrocamiento (con predominio de tamaos correspondientes a cantos rodados o mayores). Losdostiposprincipalesdepresasdematerialesgraduadossepuedentodava subdividir,conbaseenlaconfiguracindematerialesodelosmtodosde construccin. En la Figura I-3 se muestran los tipos ms comunes de presas de tierra y de enrocamiento. FIGURA I-3. TIPOS DE PRESAS DE MATERIALES GRADUADOS PRESA HOMOGNEA DE RELLENO COMPACTADO CON RODILLO PRESA HOMOGNEA MODIFICADA DE RELLENO COMPACTADO CON RODILLO PRESA ZONIFICADA DE RELLENO COMPACTADO CON RODILLO PRESA DE ENROCAMIENTO CON PANTALLA IMPERMEABLE PRESA DE ENROCAMIENTO CON NCLEO IMPERMEABLE CENTRAL S I M B O L O G A ZONA PERMEABLEZONA IMPERMEABLE II - 18 Presas de tierra Algunas presas de tierra antiguas, conocidas como presas de relleno hidrulico, se construyeron usando al agua como medio de transporte del material para el terrapln hasta su posicin final en la presa. En este mtodo de construccin el material se descarga desde tuberas a lo largo de los bordes exteriores del relleno. El material ms grueso se deposita inmediatamente despus de la descarga, mientras que los finossellevanhastalapartecentraldelrelleno.Elresultadoesunterrapln zonificado con un ncleo relativamente impermeable. Existen varios problemas importantes implcitos en este tipo de construccin. Debido a que el relleno est saturado al colocarse, se desarrollan altas presiones de poro en el ncleo, y el terrapln puede ser susceptible a inestabilidad bajo la accin de estas presiones.Envistadellentodrenajedelaguadesdeelncleo,esdeesperarun importante asentamiento a largo plazo en una presa de relleno hidrulico. Tal vez la desventajamsimportante,aunquenosereconocienelmomentoenquese construylamayoradelaspresasderellenohidrulico,esqueestetipode construccindejaunaestructuradesuelorelativamentesueltaquepuedequedar sujeta a licuacin durante un temblor, y con ello dar lugar a la falla de la presa. Laconstruccinbasadaenrellenoshidrulicosresultabaeconmicaantesdel advenimiento de grandes equipos de movimiento de tierras y de compactacin. La introduccindeestosequiposhicieronprcticalaconstruccindemodernos terraplenes de relleno compactado. En el caso de una presa de relleno compactado, los materiales de bancos de prstamo seleccionados y los materiales adecuados de excavaciones para otras estructuras se transportan al sitio del terrapln y se colocan en capas; cada capa es entonces compactada perfectamente y adherida con la capa inmediata anterior mediante rodillos mecnicos. Las presas de relleno compactado son de dos tipos bsicos: homogneas y zonificadas. Presas de enrocamiento Las presas de enrocamiento constan de dos componentes estructurales bsicos: una membrana impermeable, y una zona de enrocamiento que soporta a la membrana. Las presas de enrocamiento se pueden clasificar con base en las caractersticas de la membrana dentro de dos tipos principales: de diafragma y de ncleo central. MATERIALES DE CIMENTACIN Y DE EMPOTRAMIENTOS Noexisteundiseoestndardepresasdematerialesgraduadosquesepueda adoptargeneralmenteparacualquiertipodesitio.Laspresasdemateriales graduadosdeberndisearseyconstruirseespecficamenteparalascondiciones que prevalecen en un sitio en particular. La seleccin del tipo de presa que mejor se adapte al sitio depende de un cuidadoso estudio de varios factores, entre ellos los siguientes: Para cada sitio, topografa, geologa y condiciones de la cimentacin. II - 19 Disponibilidad de materiales de construccin Requisitos para vertedores y obras de desfogue Requisitos hidrolgicos Operaciones del embalse Desvo del ro durante la construccin. La omisin por parte de los diseadores para tomar en cuenta uno o ms de estos factores puede tener implicaciones en lo que se refiere a la seguridad de una presa existente.Unavezquesehanconsideradotodoslosfactores,elcostode construccin se convierte entonces en el factor decisivo para determinar el tipo de presaquesevaaconstruir.Acontinuacinsepresentanlostiposdemateriales trreos sobre los cuales se desplantan las presas de materiales graduados. La roca, debido a su relativamente alta capacidad de carga y resistencia a la erosin y a las filtraciones constituye una cimentacin adecuada para la construccindeunapresasdematerialesgraduados.Lamayoradelas presasdeenrocamientoestnapoyadas en roca. Sin embargo, debido a las discontinuidades en la roca (juntas, grietas, fisuras, etc.), todava har falta un cierto tratamiento como pueden ser las inyecciones de lechada o el sellado superficial. Lagrava,siestdebidamenteconsolidada,estambinadecuadacomo materialdecimentacinparapresasdetierraydeenrocamiento.Sin embargo, las cimentaciones sobre grava estn frecuentemente sometidas a altos flujos de filtraciones y se deben tomar precauciones especiales para proporcionarpantallasimpermeablesefectivasocontrolesdefiltraciones ms drenaje. Ellimoolaarenafinapuedenconstituircimentacionesadecuadaspara presasdetierrasisetratandebidamenteylapresasedisea apropiadamente.Losproblemaspotencialesconestosmaterialesson licuacin, asentamiento, tubificacin y filtraciones. Laarcillasepuedeusarcomomaterialdecimentacinparapresasde tierraperopuederequerirtratamientoespecial.Engeneral,hacenfalta pruebasdelmaterialensuestadonaturalparadeterminarlas caractersticas de consolidacin (asentamiento) del material y su capacidad para soportar las cargas impuestas. TRATAMIENTO DE LA CIMENTACIN Y DE LOS EMPOTRAMIENTOS Tantoelsuelocomolarocasepuedentratarparacontrolarfiltracionesypara mejorar su resistencia. Los mtodos de tratamiento pueden variar, dependiendo del material que se va a tratar y del tipo de presa que se va a construir. En lo que resta deestaseccinsepresentarunadescripcinbsicadelostratamientosms II - 20 comunesusadosparacontrolarlasfiltracionesyparareforzarlosmaterialesde cimentacin y de los empotramientos. SUGERENCIA DE INSPECCIN:A pesar de que las zonas de cimentacin yde empotramientos de una presas de materiales graduados pueden haber ya sidotratados,estononecesariamentesignificaquenohabrfiltraciones, asentamientos, o problemas de inestabilidad en estas reas. Varios de estos tratamientos pueden verse afectados por el tiempo, los materiales usados para el tratamiento, el diseo del tratamiento, y/o los errores cometidos durante la construccin. TRATAMIENTOS PARA CONTROLAR LAS FILTRACIONES El control de las filtraciones a travs de la cimentacin y de los empotramientos es muyimportante.Lasfiltracionespuedendarlugaratubificacin,ascomoa inestabilidaddelamasadesuelo.Seusanvariosmtodosparacontrolarlas filtraciones, entre los cuales estn los siguientes: Pantallas impermeables Delantales impermeables aguas arriba Drenes aguas abajo Inyecciones Pantallas impermeables Laspantallasimpermeablesestndiseadasparalargarocortarlatrayectoriade flujodelasfiltracionesatravsdelacimentacin y de los empotramientos y para reducirlacantidaddefiltracionesaungastoquesepuedamanejarmediante dispositivosdedrenaje.Unapantallaimpermeableesunaextensindelazona impermeable de una presa de materiales graduados y se construye hasta alcanzar yasealascapasimpermeablesolarocabasal.Laubicacindelapantalla impermeabledependerdeltipodezonificacindelacortina.Lapantallaestar generalmente localizada bajo la zona impermeable de la presa (vase la Figura I-4). En las siguientes pginas se describen varios tipos de pantallas impermeables. II - 21 FIGURA I-4. LOCALIZACIN DE PANTALLAS IMPERMEABLES Pantallas impermeables completas Si la profundidad para llegar a la roca sana relativamente impermeable no es muy grande,sepuedeexcavarunapantallaimpermeablecompletayrellenarsecon materialimpermeable.EnlaFiguraI-5semuestraunapantallaimpermeable completa bajo el ncleo central de una presa de materiales graduados construida con enrocamiento. FIGURA I-5. PANTALLA IMPERMEABLE COMPLETA Cimentacin permeable Cimentacin permeable DIAFRAGMA AGUAS ARRIBA PANTALLA IMPERMEABLE AGUAS ARRIBA Zonasimpermeables Cimentacin permeable Cimentacin impermeable Zonas impermeables Pantalla impermeable Cimentacin impermeable NCLEO CENTRAL PANTALLA IMPERMEABLE CENTRAL Zonasimpermeables Zonas impermeables Cimentacin permeable Pantallaimpermeable Cimentacin impermeable Cimentacin impermeable NCLEO INCLINADO PANTALLA IMPERMEABLE AGUAS ARRIBA NCLEO CENTRAL PANTALLA IMPERMEABLE AGUAS ARRIBA Zona impermeable Cimentacin permeable Pantalla impermeable completa Cimentacin impermeable II - 22 Pantallas impermeables parciales En ciertas ocasiones, se podr excavar una pantalla impermeable parcial. Este tipo de pantalla impermeable no penetra completamente en la capa impermeable o en la roca sana. Con una pantalla impermeable parcial se alarga la trayectoria de filtracin yporlotantodisminuyelasubpresinenelpiedeaguasabajo,peronose interrumpirn completamente las filtraciones. En la Figura I-6 se ilustra una pantalla impermeable parcial. FIGURA I-6. PANTALLA IMPERMEABLE PARCIAL Pantallas impermeables profundas Cuando la profundidad de la excavacin es grande, o cuando se dificulta el control delaguasubterrnea,sepuedeconstruirunapantallaimpermeableconel procedimiento constructivo de zanja con lodos de perforacin. Se procede a excavar unazanjaatravsdelacimentacinpermeableylasparedesdelazanjase estabilizanconlododeperforacin.Luegoserellenalazanjaconunamezcla impermeable de suelo con lodo bentontico o concreto. Generalmente se usa concreto cuando la profundidad de la pantalla impermeable es muy grande. Estas pantallas tienen un espesor comprendido entre 2.5 y 3 pies. El concretosecolocaenlazanjaconmangueratremie,estandoelextremode descarga lo suficientemente bajo como para evitar discontinuidades y segregacin en la pared de concreto. EnlaFiguraI-7semuestraunapantallaimpermeablecolocadaendosposibles lugares: una construida por debajo del delantal impermeable de aguas abajo de una presas de enrocamiento con ncleo central, y la otra localizada directamente abajo del ncleo central. Zona impermeable Pantalla impermeable parcial Trayectoria de flujo Cimentacinpermeable Cimentacinimpermeable II - 23 FIGURA I-7. PANTALLAS IMPERMEABLES DE CONCRETO Pantallas impermeables con tablestacas En tiempos pasados se usaron las pantallas impermeables con tablestacas pero ya se han discontinuado en aos recientes. Se pueden presentar filtraciones a travs de las trabas, de las juntas a tope y de los espacios donde las lminas quedan fuera de la trabazn. Una imperfeccin mnima en la tablestaca de acero puede disminuir la efectividad de la pantalla impermeable. Delantales impermeables aguas arriba Los delantales impermeables aguas arriba se usan para minimizar las filtraciones a travs de la cimentacin al conectar un delantal de material permeable aguas arriba Zona impermeable Pantalla impermeable Cimentacin permeableCimentacin impermeable Empotrada en la zona impermeable w Para relleno de concretoW =5 7.5 cm Para relleno de suelo y lodo bentonticoW =7.5 cm 12.5cm Para Relleno impermeable Zanja sostenida por el lodo Bentontico durante la excavacin Zona impermeable Pantalla impermeable Cimentacin permeable Cimentacin impermeableII - 24 delpiedelapresaconelfindealargarlatrayectoriadeflujo.Eldelantalest normalmente adherido al ncleo de la presa. Se usan comnmente delantales aguas arribacuando las pantallas impermeables que llegan a la roca sana o a una capa impermeablenoresultanprcticasdebidoalaprofundidadexcesiva.Avecesse usan estos delantales en combinacin con zanjas parciales de pantalla impermeable. En la Figura I-8 se muestra la localizacin del delantal impermeable de aguas arriba para el caso de una presa de relleno hidrulico. En esta presa se us el delantal en combinacin con un tablestacado prolongado hasta una capa impermeable. FIGURA I-8. DELANTAL IMPERMEABLE AGUAS ARRIBA Los delantales impermeables de aguas abajo se usan generalmente para un canal fluvial o para el fondo de un valle formado por arena y grava, pero tambin puede necesitarseenpartesdelosempotramientos.Conestosdelantalestalveznose reduzcan las fuerzas de filtraciones en la cimentacin lo suficiente como para evitar las fallas por tubificacin. La estratificacin natural que tiene lugar en casi todas las cimentaciones de materiales trreos puede dar lugar a la generacin de presiones altas en uno o ms de los estratos de la cimentacin del lado del pie aguas abajo de la presa. Es importante que se apliquen medidas de control de las filtraciones aguas abajojuntoconestosdelantalespararecolectarlasfiltracionesquesepudieran presentar. Zona impermeable Delantal rodillado impermeable Cimentacin permeable Pantalla impermeableCimentacin impermeable II - 25 Drenes aguas abajo Laaplicacindemedidasenelladoaguasarribaparareducirlasfiltracioneses generalmente complementada con obras de control de filtraciones aguas abajo. Entre estos dispositivos estn los siguientes: Delantales de drenaje aguas abajo Drenes de tubera Drenes al pie de presa Pozos de alivio Delantales de drenaje aguas abajo Losdelantalesdedrenajeaguasabajoseusanencasitodaslaspresasde materiales graduados modernas. Un delantal de drenaje aguas abajo est diseado pararecolectarelaguadefiltracionestantodelacimentacincomodelterrapln. Estosdrenesgeneralmentesecolocansobrelacimentacinyempotramientosde aguas abajo para recoger las filtraciones que emanan de estas reas. En la Figura I-9semuestralalocalizacindeundelantaldedrenajeaguasabajoascomolos detallescorrespondientesapresasconpantallasimpermeablescompletasy parciales o sin presencia de pantallas impermeables. Drenes de tubera Lasfiltracionesprovenientesdelosdelantalesdedrenajesepuedenrecogery descargar en los puntos bajos. Esto se puede hacer mediante drenes de tubo (vase la Figura I-9). Los drenes de tubo no deben prolongarse por debajo de la presa de tierra. Si el tubo de un dren se rompe con el peso de la presa o se corroe, se puede convertirenuncanaldeflujosincontrol.Lastuberasdedrenajedebenestar fcilmente accesibles para hacer reparaciones y darles mantenimiento. Drenes al pie de presa Un dren al pie de la presa es una zanja que se excava en la cimentacin y se rellena conmaterialdelibredrenaje;puedeincluiruntuboperforadoparacapturarlas filtracionesdelacimentacin(vaselaFiguraI-9).Elaguarecogidaesentonces descargada a travs de un desfogue hacia la zona de aguas abajo. II - 26 FIGURA I-9. DELANTAL DE DRENAJE AGUAS ABAJO Pozos de alivio Los pozos de alivio de presin estn diseados para ayudar a controlar las presiones hidrostticas (subpresiones) que pudieran dar lugar a tubificacin o a inestabilidad al recoger el agua y proporcionar una descarga segura y controlada aguas abajo de la presa donde sta ya no se vea afectada. Adems, los pozos de alivio pueden ayudar a controlar la direccin y cantidad de las filtracionespordebajodelapresa.Lospozosdealiviosepuedenusaren combinacin con otro tipo de drenes para desalojar las filtraciones. En la Figura I-10 semuestraunabateradepozosdealiviousadosparainterceptarydesalojarlas filtraciones de la cimentacin de manera segura. Zona impermeable Dren inclinado Delantal de drenaje Ver detalles AyB Cimentacin permeable Delantal de drenaje Delantal de drenaje Dren de tubo perforado Dren de tubo perforado Zanja de drenaje a pie de presa DETALLEA DREN DE TUBO (TPICO PARA UNA PANTALLA IMPERMEABLE COMPLETA) DETALLEB DREN AL PIE DE PRESA (TPICO PARA UNA PANTALLA IMPERMEABLE PARCIAL) II - 27 FIGURA I-10. POZOS DE ALIVIO Siexistenvariospozos,todosellosreconocernaunsistemaderecoleccin formado por un canal abierto o por un sistema de tuberas. Este sistema se usa para captarelaguadescargadaporlospozosdealivioyconducirestaaguahastaun punto alejado hacia aguas abajo de la presa. Tpicamente, esta agua se regresa a la corriente natural. Inyecciones La inyeccin de la cimentacin tiene por objeto minimizar: Las filtraciones por debajo o alrededor de la presa. Las presiones hidrostticas (subpresiones) bajo la parte de aguas abajo de la presa. Laposibilidaddetubificacindelosmaterialesdelterraplnhaciala cimentacin. La posibilidad de tubificacin de los materiales del terrapln inducida por las filtraciones que ingresan al terrapln desde la cimentacin. La tubificacin de suelo desde las juntas y fracturas de la roca y con ello poder evitar la formacin de cavidades por disolucin. Tubificacin en la interfaz suelo-roca sana. Laszonasdeenrocamientodelaspresasdematerialesgraduadosson generalmentemuypermeablesydefiltrajerpido.Silazonacontienematerialde grano grueso, la erosin y la tubificacin no son problemas serios. Sin embargo, el material de grano fino debe protegerse contra arrastre por el agua de filtraciones por debajo y a travs del terrapln mediante el uso de zonas de filtros y con la inyeccin y tratamiento superficial de la roca de cimentacin. Filtraciones dela cimentacin Batera de pozos de alivioII - 28 Existendostiposdeinyeccionesqueseempleancomnmenteenlazonade cimentacin del ncleo y adyacente a la misma, que son los delantales de inyecciny las pantallas de inyeccin. Losdelantalesdeinyeccinserealizanenunreaampliadelacimentacin excavadacuandolarocadecimentacinestmuyagrietadaofracturada.Este mtodo se usa para sellar la parte superior de la roca en un espesor de 3 a 10 m con elfindeminimizarlaposibilidaddetubificacindelosfinosdelncleohacialas fisuras de la roca, as como para sellar la superficie ms cercana de la roca contra la prdidadelechadadurantelainyeccindealtapresinparalapantallaque generalmente viene despus. Las pantallas de inyeccin se ejecutan para reducir las filtraciones muy profundas a travs de la cimentacin y de los empotramientos. EnlaFiguraI-11seilustralamaneraenquelainyeccinllenaloshuecosenla cimentacindeunapresaylaformaenquesediseaunapantallaimpermeable para solidificar y reforzar una cimentacin. FIGURA I-11. PANTALLA DE INYECCIN La pantalla de inyeccin llena los huecos en la roca Zona impermeable Hilera de barrenos de inyeccin a travs de la roca fracturada Terrapln Pantalla impermeable Cimentacin permeable Cimentacin impermeable PERFIL DE LA PANTALLA DE INYECCIN NOTA: Los barrenos en una pantalla de inyeccin estn separados la distancianecesaria para llenar los huecos. En general el espaciamiento no es mayor de6 m y puede cerrarse entre 0.60 y 1.50 m. En el diagrama anterior se muestrauna pantalla de una sola hilera aunque pueden existir pantallas de doble y detriple hilera. II - 29 TRATAMIENTOS PARA REFORZAR LOS MATERIALES DE CIMENTACIN Y DE EMPOTRAMIENTOS En ciertas ocasiones es necesario tratar el suelo y la roca de tal forma que adquieran mayorresistenciaypuedansoportarlosesfuerzosqueseaplicansobreesos materiales. El tipo de tratamiento depende del material que se vaya a tratar y del tipo de presa que se piense construir. Entre los tipos ms comunes de tratamientos se encuentran los siguientes: Remocin de material indeseable Bermas de estabilidad Consolidacin de suelos Eliminacin de material indeseable Elmaterialinadecuadoseextraeysesustituyeconmaterialseleccionado compactadoo,enalgunoscasos,conconcreto.Estoayudaaevitarasentamiento diferencial, inestabilidad y/o filtraciones. El material indeseable puede estar formado por suelos sueltos o dbiles o por materiales orgnicos, o en su caso por roca que est altamente fracturadas, intemperizada o susceptible a disolucin. Losvoladizosyloscambiosbruscosenlapendientedelempotramientose emparejan para que no se tenga un quiebre demasiado pronunciado en el ngulo del talud.Unavezemparejada,ysiesnecesario,lasuperficieseconsolidamediante inyecciones. Bermas de estabilidad Las bermas de estabilidad se pueden disear para compensar alguna debilidad de la cimentaciny/odelosempotramientos.Lasbermasdeestabilidadsepueden proyectarparaprotegerempotramientosdbilescontralasfuerzasdefiltracin causadasporunavaciadorpidodelembalse.Engeneral,estetipode empotramientos potencialmente inestables estn constituidos por suelos, o por roca que est ya sea muy fracturada o que tiene un sistema de juntas que buza hacia el vaso con una inclinacin inestable. Consolidacin de suelos Los suelos de cimentacin se pueden reforzar de diferentes maneras. La arcilla se puedereforzarmedianteprecarga,oconstruyendoporetapas,mientrasquelas arenassueltasyloslimossepuedendensificarmediantecompactacindinmica, vibroflotacin u otros mtodos. II - 30 I.CONSIDERACIONES GEOLGICAS: TIPOS DE PRESAS DE CONCRETO INTRODUCCIN Unapresadeconcretosedefinecomounaestructuraconstruidabsicamentea partir de concreto colado en el lugar o de concreto rodillado. Las presas de concreto son ms esbeltas que las presas de materiales graduados y transmiten ms cargas concentradas en la cimentacin y en los empotramientos. Un can estrecho con una cimentacin adecuada de roca es un sitio ideal para presas de concreto las cuales implican una cimentacin slida que est relativamente libre de fallas, cizallamiento y cambios importantes en la resistencia de la cimentacin. En esta seccin se describen los siguientes aspectos: Los diferentes tipos de presas de concreto y los tipos de materiales trreos sobre los cuales generalmente se construyen. Losdiferentesmtodosusadosparacontrolarlasfiltracionesyparareforzar los materiales de cimentacin y de empotramientos. TIPOS DE PRESAS DE CONCRETO Existen tres tipos bsicos estructurales de presas de concreto: gravedad, machones y arco. Adems, las presas de gravedad o de machones a veces se construyen como presascompuestas,conlasseccionesenterraplnflanqueandoalaspartesde concreto de la presa. Presas de gravedad Las presas de tipo gravedad constituyen el tipo ms comn de presas de concreto y sonlasmssencillasparadisearyconstruir.Sonmasivasyprcticamente triangularesenseccintransversalyellas dependen en su peso y geometra para soportar las cargas del embalse y para transferir las cargas a la cimentacin. En el caso de presas de gravedad, las subpresiones son un problema porque pueden dar lugar a un debilitamiento de la cimentacin y a la falla de la presa por volteamiento o deslizamiento. En la Figura I-12 se ilustra una seccin transversal de una presa de gravedad. Aunque las presas de gravedad son adecuadas para usarse en la mayora de anchos y geometra de las gargantas, algunas caractersticas topogrficas favorecen el uso de presas tipo gravedad. Una de estas caractersticas favorables es un sitio ancho con un fondo del can relativamente plano. La altura casi uniformes de los bloques disminuye la tendencia al giro transmitida por juntas machihembradas entre bloques adyacentes. II - 31 Sepuedenusarmuchostiposdematerialestrreoscomocimentacinparauna presa de concreto tipo gravedad de menos de 15.2 m de altura, y con un diferencial entre el nivel del agua de aguas arriba y de aguas abajo de menos de 6.1 m. Sin embargo, si una presa de gravedad tiene un diferencial entre el nivel de aguas arriba y el nivel de descarga de ms de 6.1 m, o tiene una altura que sobrepasa 15.2 m , generalmente se necesitar apoyar sobre roca sana. FIGURA I.12. CORTE TRANSVERSAL DE UNA PRESA DE GRAVEDAD Presas de contrafuertes Laspresasdemachonesocontrafuertes,quesonunavariantedelaspresasde gravedad, dependen de su propio peso y del peso del agua sobre el paramento para mantener la estabilidad. Estn constituidas por dos elementos estructurales bsicos: una cara impermeable inclinada en el lado de aguas arriba y una serie de machones, o muros casi verticales, que sostienen el paramento y transfieren la carga de la cara hacia la cimentacin. Untipodepresademachones,comosemuestraesquemticamenteenlaFigura I-13, es la presa de machones de losa plana, en la cual la losa plana de aguas arriba Peso propio de la presa Resistencia al deslizamiento Fuerzas transmitidas por el embalse Subpresin Fuerzas de la reaccin de la cimentacin II - 32 est hecha de concreto reforzado. Sin embargo las configuraciones varan y se podr encontrar con presas de machones que tienen losas en arco y otras caractersticas. La losa delgada de las presas de machones soporta las cargas de diseo por lo que cualquier deficiencia en esta losa puede llevar a una falla instantnea. FIGURA I-13. VISTA SIMPLIFICADA DE UNA PRESA DE MACHONES CON LOSA PLANA Laspresasdemachonessonadecuadasparaunagranvariedaddegeometray ancho del can. La garganta ms deseable es aqulla que tiene laderas con taludes depocainclinacin.Estacondicinpermiteuna conexin ms adecuada entre las paredes del can y trae como resultado contrafuertes ms estables. En trminos generales las presas de machones slo deberan construirse sobre una cimentacin de roca. Las presas de contrafuertes de poca altura se pueden construir sobre roca alterada o sobre cimentaciones de materiales trreos si se usan losas de zapatas para mantener la capacidad de carga dentro de los lmites permisibles. Rara vezseconstruyenenlaactualidadlaspresasdemachonesdebidoalcostotan grande de levantar las cimbras necesarias para la edificacin de estas estructuras. Presas de arco Unapresaenarcoesunapresadeconcretomasivoconcurvaturahaciaaguas arribaynormalmenteesmsdelgadaqueunapresadegravedad.Aunquelas presas de arco transfieren una pequea parte de la carga del embalse por su propio pesoalacimentacin,adquierenlamayorpartedesuestabilidadaltransmitirla carga hacia las paredes del can (empotramientos) por medio del efecto de arco (empuje). Debido a que las presas de arco son esbeltas, el esfuerzo es un factor ms Peso del agua Losa plana Contrafuerte Contrafuerte Fuerzas de reaccin de la cimentacin Cargas transmitidas por el embalse II - 33 crticoparalaseguridaddelapresa.EnlaFiguraI-14semuestraunavista simplificada de una presa de arco. FIGURA I-14. VISTA SIMPLIFICADA DE UNA PRESA DE ARCO Unodelosfactoresprimordialesparadeterminarlaidoneidaddeunsitiopara construir una presa de arco es la relacin entre anchura y altura del sitio propuesto (3.0omenor).Idealmenteestarelacindeberaserrelativamentepequeapara poder usar una presa de arco esbelta. Sin embargo, se pueden disear presas de arco para sitios ms anchos. Lageometradelcanestambinunaspectoimportanteparaeldiseodeuna presa de arco. Los sitios en forma de V son generalmente ms favorables para el diseo de una presa de arco aceptable, en comparacin con una geometra en U. Las distribuciones de esfuerzos en presas diseadas para los sitios en forma de V son generalmente ms aceptables debido a que un porcentaje mayor de la carga es resistido por el efecto de arco en la parte baja de la presa. Las presas de arco deberan construirse sobre roca sana y durable. Las rocas que se descomponen o deterioran al estar en contacto con agua, atmsfera o presin son inaceptables. Adems, la orientacin de las juntas, grietas, fisuras, etc. puede ser de Efecto de arco Efecto de arco Fuerzas del embalse II - 34 granimportancia.Sisepresentandepsitosdeestosmaterialesrocosos indeseables, en general debern eliminarse y sustituirse por concreto. Presas compuestas Confrecuenciaunapresacompuestaomixtaestconstituidaporunaseccinde concreto tipo gravedad o de machones combinada con secciones de presas de tierra o de enrocamiento. Las presas compuestas tienen tanto las ventajas de una presa de concretolacapacidadparaactuarcomovertedor(esdecir,quepuedaser sobrepasada con seguridad)- como las de una presa de materiales graduados bajos costosdeconstruccinyelusodematerialesdeconstruccindisponibles localmente. En la Figura I-15 se muestra un ejemplo de una presa compuesta. FIGURA I-15. PRESA COMPUESTA La topografa es el factor determinante para poder seleccionar una presa compuesta para un sitio en particular. Las presas mixtas son idneas para valles amplios, sitios en llanuras, o lugares donde se unen las planicies con las montaas, pero rara vez se usan en terreno montaoso propiamente dichas. Alascondicionesdecimentacintambinselesprestaatencinespecialparala construccindeunapresacombinada.Lapartedeconcretodelapresasedebe construir sobre una cimentacin aceptable para presas de concreto. Si la porcin de concretodelapresatieneunacarganetamximademsde6.1m,deber Alero de terrapln Estructura de concreto tipo gravedad (vertedor) Estructura de concreto tipo gravedad (no desbordante) Alero de terrapln II - 35 descansar sobre una cimentacin de roca. Si la carga neta es menor de 6.1 m, se podr construir sobre suelo o sobre materiales rocosos alterados, siempre y cuando no se exceda la capacidad de carga permisible. Galeras Una galera es un pasadizo dentro de una presa de concreto. Las galeras pueden tener una direccin longitudinal o transversal, pueden ser horizontales o inclinadas, y puedentenermuydiversasfinalidades.Entrelosusosdelasgalerasestnlos siguientes: Acceso al interior de la presa para operaciones, mantenimiento,observacin e inspeccin. Conductos para tuberas de servicios. Alojamiento para el equipo de control. Va de drenaje para el agua dentro de la presa. Acceso para inyectar la cimentacin y los empotramientos. Las galeras contienen cunetas en el piso para recibir la descarga de los drenes. Con las cunetas se facilita el flujo y la medicin del agua de drenaje dentro de la presa. Un socavn es un pasaje que se usa como entrada a un sistema de galeras o que sirve como pasadizo de conexin entre galeras u otras partes de la presa. A veces seconstruyentnelesenlosempotramientosfueradelsistemadegaleraspara teneraccesoainyeccionesydrenaje.Enmuchasocasioneslossocavonesylos tneles no estn revestidos, lo cual permite inspeccionar los materiales reales de la cimentacin y de los empotramientos. TRATAMIENTO DE CIMENTACIONES Y DE EMPOTRAMIENTOS La roca se puede tratar para controlar las filtraciones y para mejorar su capacidad de soporte de una presa. Los mtodos de tratamiento pueden variar dependiendo del tipoderocaquesevaatratarydeltipodepresaquesevaaconstruir.Enlas siguientes descripciones de tratamientos de roca se presentar una breve mencin delaformaenquesediseanestostratamientosparacontrolarlasfiltracionesy para reforzar las cimentaciones de roca. NOTADEINSPECCIN:Aligualqueparaelcasodepresasdemateriales graduados, y a pesar de que ya se hayan tratado las reas de la cimentacin y de los empotramientos de presas de concreto que usted est inspeccionando, estononecesariamentesignificaquenosevanatenerfiltraciones, asentamientosoproblemasdeinestabilidadenestaszonas.Varios II - 36 tratamientos se pueden ver afectados por el tiempo, por los materiales usados paralostratamientos,poreldiseodeltratamientoy/oporloserrores cometidos durante la construccin. TRATAMIENTOS PARA CONTROLAR FILTRACIONES El control de las filtraciones a travs de la cimentacin y de los empotramientos es muyimportante.Lasfiltracionespuedenoriginartubificacin,disoluciny subpresiones excesivas que pueden llevar a la inestabilidad. Varios mtodos se usan para controlar las filtraciones a travs de la cimentacin y de los empotramientos de las presas de concreto, entre ellos los siguientes: Inyecciones Drenes en la cimentacin y en los empotramientos Inyecciones La construccin de una pantalla profunda de inyecciones cerca del taln de la presa ayudaacontrolarlasfiltracionesylassubpresiones.Estetipodeinyeccioneses bsicamenteel mismo que el de las inyecciones aplicadas a presas de materiales graduados. La separacin, longitud y orientacin de los barrenos de inyeccin y los procedimientos que se van a aplicar para inyectar una cimentacin dependen de la altura de la estructura y de las caractersticas geolgicas de la cimentacin. El control de la presin de filtraciones bajo las presas de gravedad y de machones es importante debido a que la subpresiones son crticas. Las subpresiones en este tipo de presas pueden hacer que la presa deslice o se voltee. Esimportanteconstruirunapantalladeinyeccionescompetenteparaelcasode presasde arco delgado o de machones porque carga hidrulica de las filtraciones debe disiparse dentro de una distancia muy corta. Drenes en cimentaciones y en empotramientos Los drenes de las cimentaciones se disean para interceptar el agua que se filtra a travsyalrededordelapantalladeinyeccin.Sinoseelimina,estaaguapuede inducir presiones hidrostticas sobre la base de la presa. Generalmente se logra el drenajealperforarunaomshilerasdebarrenosaguasabajodelapantallade inyeccin. En la Figura I-16 se muestra la ubicacin de la cortina de inyeccin y de los drenes delacimentacinpordebajodeunapresadeconcretotpica.Tambinsepuede observar la localizacin de la galera. II - 37 FIGURA I-16. DRENES DE LA CIMENTACIN Losbarrenosdedrenajesongeneralmentede7.6cmdedimetro.Tantola separacin como la profundidad y la orientacin se ven afectadas por las condiciones delacimentacin.Generalmentelosbarrenosestnespaciadosacada3m,con profundidades que dependen de la pantalla de inyecciones y de la altura del agua en el embalse. Los barrenos pueden variar en longitud entre 20 y 40% de la profundidad del embalse y entre 35 y 75% de la profundidad de la pantalla de inyeccin profunda. TRATAMIENTOS PARA REFORZAR LOS MATERIALES DE CIMENTACIN Y DE EMPOTRAMIENTOS Enocasionesresultanecesariotratarlarocadetalmaneraquetengamayor capacidadparasoportarelpesodelapresa.Eltipodetratamientodependedel material que se va a tratar y del tipo de presa que se va a construir. Tres de los tipos ms comunes de tratamiento son los siguientes: Perfilado de las zonas de empotramientos. Remocin y sustitucin. Colocacin de refuerzos en la roca Presa de concreto tipo gravedad GalerNivel de aguas abajo Hilera de barrenos de drenajede la cimentacin Roca fracturada Pantalla de inyecciones Barrenos de drenaje a travs De la roca fracturada II - 38 Perfilado de las reas de empotramientos La eliminacin de las salientes y el perfilado de los quiebres bruscos en el talud entre lacimentacinylosempotramientosayudaaaliviarlasconcentracionesde esfuerzos que pueden inducir agrietamiento en la presa posterior a la construccin. ests reas son perfiladas y, en caso necesario, reforzadas con inyecciones. Remocin y sustitucin Se elimina la capa de suelo y la roca intemperizada o muy fracturada hasta llegar a la formacin de roca competente. Se puede remplazar por concreto para alisar el rea y proporcionar una cimentacin ms estable. Refuerzos de roca Los refuerzos de roca, tales como pernos para roca, anclas y tendones sirven para estabilizarlostaludesyparaaumentarlaresistenciapromediodelos empotramientosydelasreasadyacentes.Lospernos,anclasytendonesestn formadosporbarrasycablesdeaceroqueseintroducenatravsdelaroca inestable e incluso de las estructuras para reforzar y anclar el elemento inestable con respecto a una masa estable. En la Figura I-17 se ilustra la manera en que con un perno se pueden unir entre s las masas inestables de roca. FIGURA I-17. PERNO PARA ROCA RocaPlanos de estratificacin Placa Perno para roca AnclaII - 39 I.CONSIDERACIONES GEOLGICAS: BORDE DEL EMBALSE INTRODUCCIN El borde del embalse es la frontera del vaso de la presa que incluye todas las reas a lo largo de las laderas del valle y por debajo de la superficie del agua. Al realizar la inspeccindeseguridaddeunapresaesimportanteincluirlarevisindelborde porquepuedetenerdeficienciasquepudieranafectarlaseguridadylaoperacin adecuadadelapresa.Unproblemaespecialsepresentaenzonascon deslizamientos potenciales as como las filtraciones a travs del borde, sobre todo en reas cercanas a la presa o a sus estructuras auxiliares. MATERIALES DEL BORDE DEL EMBALSE Los materiales trreos del borde del embalse cercanos a la presa son generalmente semejantesalosdelosmaterialesqueconstituyenlacimentacinylaszonasde empotramientosantesdelaconstruccin,yantesdeejecutarcualquiertipode tratamiento. Los materiales trreos a lo largo del borde del embalse es probable que estn mezclados y que exhiban varias de las caractersticas mencionadas al principio de esta unidad. TRATAMIENTOS DEL BORDE DEL EMBALSE Cualquiertratamientodelbordedelembalsetienegeneralmentelafinalidadde mejorar ya sea la estabilidad del borde o la capacidad de almacenamiento de agua del embalse. La estabilidad del borde cerca de la presa o de sus estructuras auxiliares donde los deslizamientos pueden causar daos a las estructuras u obstruir las obras de toma es crtica y se debe corregir en caso necesario. De otra manera, la estabilidad del borde se debe estimar con respecto al oleaje resultante (seiches) que podra hacer que se desbordara la presa y causarle daos a sta o en el peor de los casos, hacer que la presa fallara. Durantelasetapasdeexploracinydiseodeunproyectodepresasepodrn identificar las reas de inestabilidad potencial en el borde del embalse y se podrn incorporar planes para estabilizarlas o para tomar en cuenta sus movimientos futuros como parte del diseo de la presa. Los dos mtodos ms comunes para aliviar los efectos de los deslizamientos son los siguientes: Establecimiento de limitaciones en los criterios de operacin comopuedenserlasrestriccionesdelasvelocidadesdellenadoy/ode vaciado. Fijacin de una superficie mxima permisible de agua a un cierto nivelparapoderabsorberelmovimientodeldeslizamientodentrodel embalse. II - 40 Si permitir la ocurrencia de un deslizamiento no resulta prctico, se debern aplicar otrasmedidasparaevitarelmovimientodeldeslizamiento.Estasmedidasse describen a continuacin. Drenaje.Lasmedidasparaevitarlasaturacinoelaumentoenlas presiones del agua a lo largo de la superficie de deslizamiento debern ser las adecuadas para evitar un deslizamiento. Si la escorrenta superficial es causante del problema, se debe alejar el drenaje superficial de estas reas. Tambinpuederesultarefectivalainstalacindedrenesparaaliviarla presin del agua. Anclajedelaroca.Sepodrausarunplandeanclajedelaroca, incluyendo tendones, para fijar la masa inestable a su formacin matriz. Descargadelacabeceradeldeslizamiento. La eliminacin de parte delmaterialenelextremo superior de un rea de deslizamiento puede a vecesestabilizareldeslizamiento.Sinembargo,sieldeslizamientoes grande, este mtodo puede resultar costoso a menos que el material que se va a eliminar se pueda usar como relleno estructural. Bermas de estabilidad. Si el deslizamiento es demasiado grande para poder eliminar econmicamente el material inestable, se puede recurrir a la colocacindeunabermadeestabilidadodeotramasaalpiedel deslizamiento para soportar el rea. Sellado de viejos tiros de minas y de cavidades. Los tiros de minas antiguasolascavernasnaturalesconstituyenfuentespotencialesde colapsoascomovasdeaccesoparafiltraciones.Elselladodeestas aberturaspodrayudaraestabilizarelreayaevitarqueelaguadel embalse penetre por la abertura. I. CONSIDERACIONES GEOLGICAS: PREPARACIN DE LA INSPECCIN INTRODUCCIN En el mdulo Preparativos para llevar a cabo una inspeccin de seguridad de presas sedescribenactividadesqueusteddeberarealizarantesdellegaralsitiodela presa. Una vez estando en el sitio, existen actividades adicionales preliminares que usteddeberarealizar.Enestaseccinsedescribenlospreparativospara inspeccionar la cimentacin, los empotramientos y el borde del embalse. REVISIN DE DATOS Eltipoycantidaddedatosdisponiblesvariarconsiderablementedeunapresaa otra. Se podr tener un Archivo de Seguridad de Presas disponible para la presa que II - 41 selehaasignadoparainspeccionar.Unarevisindeestearchivopodrrevelar informacingeolgicarelacionadaconlapresaqueustedvaainspeccionar.La categora de la informacin y los tipos de conceptos que pueden incluirse como parte de este archivo se muestran en la Tabla I-2. TABLA I-2. DATOS GEOLGICOS QUE SE PUEDEN INCLUIR EN UN ARCHIVO DE SEGURIDAD DE PRESAS Categora de la informacinAspectostpicosquesepueden incluir Informacin geolgicaInformacin regional Informacin del sitio Sismicidad Correspondencia Informacindelacimentacinydelos empotramientos Descripcin Diseo y anlisis Tratamientos Registros de construccin, cambios y modificaciones Instrumentacin Deficiencias (p. ej. filtraciones, etc.) Correspondencia InformesInformes previos de inspeccinEstudios especiales Datos de instrumentacin Informesdeoperacionesy mantenimiento Correspondencia PlanosPlanos de diseo, de construccin y de modificaciones de las estructuras principales y de las caractersticas FotografasFotografas areas Fotografasdurantelaconstruccin delacimentacinydelos empotramientos Si ya se llev a cabo una inspeccin inicial de la presa, existe la posibilidad de que se pueda conseguir fcilmente un Archivo de Seguridad de Presas con informacin geolgica. Sin embargo, si no lo hay, se podrn explorar otras fuentes de informacin geolgica como pueden ser las siguientes: Mapas, planos y secciones geolgicas locales y regionales Informes de reconocimientos de suelos Literatura geolgica Perfiles de pozos II - 42 Fotografas areas del sitio y de las cercanas Mapas topogrficos Planos de obras terminadas Registros de tratamiento de la cimentacin Registros de pruebas en materiales (suelo y roca) Entrevistas con personas que conozcan el sitio de la presa Adems de revisar la informacin geolgica, usted debera estudiar los informes de inspecciones anteriores. Estos informes le permitirn rastrear las condiciones y los problemas potenciales para determinar cmo y hasta qu grado estn variando con respectoaltiempo.Lainformacinhistricaydediseolopuedeponerenalerta sobre las condiciones y caractersticas que sean de particular inters y que deberan verificarse y documentarse. COMUNICACIN CON EL PERSONAL DE LA PRESA El personal que trabaja en la presa constituye una fuente extremadamente valiosa de informacinacercadedeficienciaspotencialesenunapresa.Losoperadoresque estn en la presa de manera continua tienen una mejor oportunidad de observar la presabajodiferentescondicionesatmosfricasydecargaquelaquetieneun inspector en una sola visita, y ello pueden proporcionar informacin que tal vez no se podra conseguir durante una inspeccin visual. Porejemplo,sielembalseestaunnivelbajoenelmomentodesuinspeccin, usted tal vez no observe un problema que ocurre cuando el nivel del embalse est alto. Si el clima es clido, usted puede no notar un problema que tiende a ocurrir al bajar la temperatura. Por lo tanto, usted deber platicar con el personal de campo acerca de sus experiencias y observaciones para garantizar que usted sabe qu es loquehayquebuscaralllevaracabolainspeccin.Tambinserecomienda ampliamente que durante la inspeccin lo acompae alguien que est familiarizado con la estructura. HERRAMIENTAS Y EQUIPO Es importante que usted cuente con las herramientas adecuadas. En la Tabla I-3 se presenta una relacin de herramientas y equipos que usted encontrar tiles al llevar a cabo una inspeccin de la cimentacin, empotramientos y borde del embalse. II - 43 TABLA I-3. HERRAMIENTAS Y EQUIPOS DE INSPECCIN Herramientas/EquiposUsos Binocularesocmaraconlentepara telefoto Observacindereasinaccesibles desdelacorona,elempotramiento opuesto,aguasabajodelapresa,o desde una embarcacin o aeronave CmaraRegistro de condiciones y deficiencias Cinta para medirMedicindelasdimensionesde caractersticasoanormalidades; medicindeanchoyprofundidadde grietas Sonda (varilla)Sondearlaprofundidaddegrietas, depresiones o dolinas e identificar zonas blandas Navaja de bolsilloRaspar la roca, sondear, etc. Martillo de gelogo o picoVerificacindelasanidaddelarocao sondeoderellenosenjuntasofisuras blandas PalaDespejardrenesyexponerlas estructuras cubiertas Cubetadevolumenconocidoy cronmetro Medicindelas