Control hidráulico en presas de materiales sueltos

| Victoria Rivas García

TÉCNICAS

EXPERIMENTALES

EN HIDRÁULICA

CONTROL HIDRÁULICO EN PRESAS

DE MATERIALES SUELTOS

Técnicas Experimentales en Hidráulica CONTROL HIDRÁULICO EN PRESAS DE MATERIALES SUELTOS

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ÍNDICE

1. Características de las presas de materiales sueltos

2. La filtración y el drenaje

3. Sistemas de auscultación en presas de materiales sueltos

4. Control de filtraciones

5. Medida de presiones intersticiales

6. Instalación de los equipos

BIBLIOGRAFÍA


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1. Características de las presas de materiales sueltos

Una presa es una estructura que tiene por objeto contener el agua en un cauce natural

con dos fines, alternativos o simultáneos, según los casos:

- Elevar su nivel para que pueda derivarse por una conducción (creación de

altura).

- Formar un depósito que retenga los excedentes para suministrar un

suplemento en los períodos de escasez (creación de embalse) o para

amortiguar (laminar) las puntas de las crecidas.

En general, en cuanto una presa tiene una cierta altura existe un efecto de embalse,

que suele ser predominante. De esto resulta que la función mecánica esencial de una

presa es elevar el nivel natural del río, de forma permanente o variable, y de aquí que

la sobrecarga fundamental de la estructura es el empuje del agua, y que este empuje

determina su concepto resistente. Como veremos, la magnitud del empuje

hidrostático es de gran entidad y muy superior a las sobrecargas que soportan otras

construcciones, lo que hace a la presa una estructura de especial exigencia.

Otra particularidad del agua como sobrecarga es que no sólo empuja sino que penetra

por cualquier intersticio, lo que se traduce no sólo en problemas de impermeabilidad

sino incluso en presiones internas que dan lugar a otras sobrecargas de gran

intensidad y desfavorablemente situadas.

Los diversos tipos de presas responden a las variadas formas de cumplir la doble

exigencia de resistir el empuje del agua y evacuar los caudales sobrantes. En cada caso,

la importancia relativa de estas dos premisas, las condiciones del terreno y las

exigencias de los usos del agua (y a veces la tecnología y circunstancias económicas del

momento) dan una serie de condicionantes que llevan a la elección del tipo más

adecuado.

En nuestro caso de estudio, las presas se clasifican desde el punto de vista de los

materiales empleados, y bajo la denominación genérica de presas de materiales

sueltos agrupamos varios tipos formados exclusiva o preferentemente por materiales

naturales: piedras, gravas, arenas, limos, arcillas y suelos en general. Cuando el

material predominante (> 50%) es la piedra gruesa se denominan presas de escollera, y

cuando más del 50% de los materiales son térreos o mezclados con gravas o arenas se

suelen denominar presas o diques de tierra. En general, la denominación genérica es la

más apropiada, puesto que estas presas suelen estar formadas por varios materiales,

cada uno con una función específica, por lo que no se pueden llamar propiamente de

tierra o escollera.


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Las presas de hormigón son impermeables (más correcto es decir que son de muy baja

permeabilidad) pero las de materiales sueltos suelen tener componentes permeables

en alto grado (gravas, arenas, escollera) por lo que necesitan un elemento para

cumplir la función de impermeabilidad. Según su posición y el material impermeable

resultan distintos tipos bastante diferentes entre sí. Atendiendo a la clase y posición

del material impermeabilizante se dan los siguientes tipos:

- Presas de material uniforme impermeable, o presas homogéneas. Son como las

de gravedad de hormigón, en el sentido de que el material resistente es

también impermeable.

- Presas de materiales heterogéneos. Son las más frecuentes y tienen la ventaja

de emplear óptimamente los materiales próximos disponibles, distribuyéndolos

según sus características. Los materiales más permeables se utilizan como

elementos estabilizadores, por su peso; los más finos se usan para lograr un

núcleo impermeable y los otros se utilizan como elementos drenantes o para

establecer capas de transición (filtros).

- Presas con pantalla o diafragma. Cuando no se encuentra cerca de la presa un

material impermeable natural (arcillas o limos) hay que acudir a una pantalla

impermeabilizante artificial que se coloca sobre el talud aguas arriba o en el

centro del dique (diafragma).

Las presas de material suelto, cualquiera que sea éste, resisten siempre por gravedad,

pues su débil o nula cohesión no les permite transmitir los esfuerzos cortantes y

tracciones que producirían los arcos.

En cuanto al aliviadero, las presas de materiales sueltos lo tienen aparte, en principio,

debido a la debilidad de los materiales, que no son capaces de resistir la acción erosiva

del agua en movimiento.

Fig 1. Sección de la presa Serre-Ponçon (Francia)


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2. La filtración y el drenaje

Como ya hemos comentado anteriormente, la existencia de una red de drenaje a

través de la estructura es, en todos los casos, inevitable. El flujo de agua infiltrada a

través de una presa de materiales sueltos o de su cimiento produce los siguientes

efectos:

- Uno directo, de pérdida de agua, que suele ser el menos importante y el más

fácil de controlar o subsanar.

- Un estado de presiones internas con componentes opuestas al efecto

estabilizador del peso. Además, al estar mojados los materiales, disminuye su

cohesión y su resistencia al rozamiento, añadiéndose estos efectos al de las

componentes desestabilizadoras de las presiones internas.

- El paso del agua a través de las zonas con materiales finos tiende a arrastrar

esas partículas, con el consiguiente peligro de erosión interna progresiva. Este

fenómeno se conoce como sifonamiento o piping.

De los tres efectos, el último es el más peligroso, porque afecta directamente a la

integridad misma de la presa. El sifonamiento es, después del vertido sobre la presa, la

causa más importante de accidentes o roturas de este tipo de presas. Además, es el

más difícil de controlar de los tres enunciados, lo que refuerza el interés del tema.

Los efectos desestabilizadores de la presión intersticial siguen en importancia al

sifonamiento, porque son más controlables con los dispositivos adecuados y hasta un

cierto punto, previsibles en los cálculos de estabilidad.

En cuanto a la pérdida de agua, sólo tiene valor económico. De ser excesiva, deberá

disminuirse con impermeabilizaciones complementarias, pero en principio más por el

peligro de sifonamiento que por la propia pérdida.

Fig 2. Red de corriente a través de una presa de materiales sueltos

Dada la repercusión que las presiones intersticiales tienen en la estabilidad de la presa,

tanto interna (sifonamiento) como conjunta (deslizamiento), se comprende la utilidad

de medir las presiones reales en la presa ya construida, e incluso durante su


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construcción, pues en el proyecto se suponen a partir de la red de corriente teórica,

pero en la realidad podría ser algo distinta. Y aunque se confirmen, a lo largo de la vida

de la presa pueden surgir cambios o accidentes que modifiquen esas presiones, local o

más extensamente.

3. Sistemas de auscultación en presas de materiales sueltos

Una presa es una obra importante y cambiante, sometida a agentes naturales

deteriorantes y peligrosos: lluvia, acción del agua vertiendo sobre ella, asientos del

cimiento, etc. Es indispensable observar su comportamiento frente a estas acciones, y

es aquí donde entran en juego los sistemas de observación y control.

El sistema de auscultación es un procedimiento integrado que comprende los

siguientes aspectos:

a) Los elementos que caracterizan la seguridad de la presa y su cimiento.

b) Las magnitudes que determinan o describen el comportamiento de la presa.

c) Los aparatos de medida de esas magnitudes.

d) El número y distribución de los aparatos.

e) La frecuencia de las observaciones.

La auscultación de la presa es un proceso continuo: la optimización del sistema

(abandono de ciertas medidas, algunas veces, instalación de aparatos

complementarios) puede conseguirse a medida que progresa el conocimiento sobre el

comportamiento de la presa.

Casi todos los informes coinciden en la conveniencia de relacionar las frecuencias de

las mediciones con las distintas etapas de la vida de la presa, a saber: construcción,

primer llenado del embalse y explotación normal, fijando el tipo de medición en cada

caso. Sin embargo, la frecuencia puede modificarse como consecuencia del

envejecimiento de la presa o cuando se produzcan fenómenos excepcionales: períodos

en que el embalse está a su mayor nivel y se producen avenidas, y también cuando la

presa y el cimiento presentan un comportamiento que puede calificarse como

anormal.

En este tipo de presas, las magnitudes de carácter hidráulico que generalmente se

miden son:

- Filtraciones recogidas en las galerías de la presa.

- Filtraciones aguas abajo de la presa.

- Presiones intersticiales en núcleos impermeables.


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- Presiones intersticiales en filtros y manto drenante de aguas abajo.

- Presiones intersticiales en filtros de disipación de presiones.

- Niveles piezométricos en el contacto de núcleos impermeables con la

cimentación.

- Niveles piezométricos en la cimentación.

Las observaciones deben fijarse en varios aspectos:

- El estado de conservación de los materiales y mecanismos.

- Las presiones intersticiales, que son muy importantes para la seguridad.

- Las eventuales filtraciones a través de la presa o de su cimiento.

- Las deformaciones y corrimientos de la presa y el terreno circundante.

En nuestro caso en particular nos centraremos en la medida de las filtraciones y las

presiones intersticiales en la estructura. Éstas tienen un interés intrínseco, puesto que

la presa se hace para retener agua y toda pérdida de ella va contra ese objetivo

fundamental. Pero también tienen un valor como índice, pues una filtración excesiva

acusa un defecto que puede derivar en aumento de la presión intersticial, lavado de la

fábrica o de las diaclasas de la roca, etc. con repercusión creciente.

4. Control de filtraciones

El caudal de filtración debe medirse a intervalos regulares, analizando el agua de

filtración por si hay decoloración o turbidez o por si se registra un aumento anormal

durante las rutinarias visitas de inspección. El análisis químico del agua de filtración

está indicado para conocer la procedencia de las filtraciones.

Por eso es casi más interesante que la magnitud de la filtración su constancia o

variación. Una filtración incluso notable, pero invariable puede no ser peligrosa. En

cambio puede ser alarmante una pérdida pequeña en su comienzo que va

aumentando con el tiempo, porque ello es señal del lavado del material. Sobre todo si

el agua sale turbia, denota que hay disolución o arrastre, con lo que el camino de la

filtración se va agrandando.

Las filtraciones han de observarse tanto integral como individualmente. La medida

conjunta de las filtraciones da un índice del comportamiento general pero no basta.

Hay que observar también por zonas, para ver si algunas de ellas son causa de la mayor

parte de las pérdidas.

Las observaciones se hacen en las galerías de visita, viendo en cada una el caudal de las

cunetas y observando si algunos drenes dan más agua que otros (como es lo normal).


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De esta forma podemos inyectar la zona más permeable, atacando el mal en el sitio

más agudo.

Al hablar de filtraciones y subpresiones no nos referimos sólo a la presa, sino también

al cimiento, pues ya sabemos que éste es tan importante o más que aquella. Las

galerías y pozos de drenaje y observación deben penetrar en la roca.

En cuanto al embalse, sus filtraciones tienen el mismo interés general, pero su

observación ha de hacerse por medios más indirectos.

El control de caudales salientes se comprobará aguas abajo de la presa mediante

aforos directos, cuya definición y características serán objeto de un proyecto

específico, instalando en estaciones de aforo medidores de nivel y velocidad y

calibrando periódicamente las curvas de gasto obtenidas. Datos complementarios

pueden obtenerse de la producción de las máquinas hidroeléctricas o con el tarado de

las válvulas de desagüe, aunque su precisión sea muy relativa. Si es posible la medición

en el interior de tuberías, se puede completar esta información con caudalímetros

ultrasónicos o similares.

Las filtraciones en el cuerpo de la presa podrán medirse en pozos calibrados,

aforadores de vertedero (en general del tipo triangular Thomson, automatizables) o

bien, si las filtraciones no son importantes, por procedimientos manuales.

Fig 3. Vertedero triangular con limnímetro

Fig 4. Canaleta de aforo con vertedero triangular

La distribución y el número de aforadores se realizará de forma que en una sola

localización se pueda medir la filtración total de la presa, y en otra varias las

producidas en cada ladera o en cada zona de cimiento.

En los sitios donde se prevean o existan filtraciones singulares se instalarán aforadores

específicos que en todo momento permitan controlar la evolución de las mismas. En

las presas con núcleo impermeable que dispongan de filtros, se procurará implantar


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aforadores que permitan realizar un control selectivo de los caudales de filtración

provenientes de los mismos.

5. Medida de presiones intersticiales

Tanto en presas de tierra como de escollera con núcleo impermeable se miden las

presiones intersticiales en los materiales de la presa y del cimiento para conocer si la

distribución de presiones intersticiales y de subpresiones está conforme con lo

previsto. Por lo general, se auscultan durante la construcción las presiones en los

materiales del núcleo impermeable y del cimiento para comprobar su conformidad con

las presiones intersticiales y asientos previstos en el proyecto, y posteriormente con el

embalse lleno para confirmar la efectividad de las pantallas contra las filtraciones. La

auscultación de las presiones en las zonas de filtros y drenes sirve para comprobar su

efectividad en la disminución de presiones.

El equipo empleado en estos sistemas de medida puede variar desde unos sencillos

pozos para observar el nivel freático hasta sofisticadas boquillas para medir presiones

que proporcionan registros de presiones en lugares concretos.

La forma más sencilla de observar la evolución de la red de drenaje se basa en los

pozos de observación: consiste en la introducción de una tubería ranurada en el

interior de un sondeo. No permite la lectura de presiones intersticiales, sino la lectura

del nivel freático, que se mide mediante una sonda piezoeléctrica que en contacto con

el agua produce una señal acústica o luminosa. El tiempo de respuesta es función del

grado de permeabilidad del medio, así cuanto más permeable menor será el tiempo de

respuesta.

Fig 5. Esquema de un pozo de observación Fig 6. Sonda piezoeléctrica


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Los piezómetros, instalados en la masa del relleno, indicarán si las presiones

intersticiales son más altas de lo previsto, con la consiguiente disminución del

coeficiente de seguridad y posible rotura, lo cual obigaría a tomar medidas.

Las presiones intersticiales han sido estudiadas estudiadas en los últimos años,

principalmente, por el Bureau of reclamation de EEUU y el Imperial College de Londres.

Consecuencia de este estudio es el gran número de piezómetros distintos existentes

hoy en día, que en realidad pueden agruparse en los siguientes:

- Piezómetros convencionales o de tubo abierto

- Piezómetros tipo Casagrande

- Piezómetros hidráulicos

- Piezómetros neumáticos

- Piezómetros eléctricos

- Piezómetros de cuerda vibrante

La elección de un tipo u otro depende, fundamentalmente, del tiempo de respuesta,

es decir, del tiempo transcurrido desde que se produce un incremento de presión

hasta que es detectado por el sistema de medida. Este tiempo, que ha sido estudiado

por Gibson y Hrorslev, depende de tres factores:

- Permeabilidad del suelo.

- Coeficiente volumétrico, definido como el volumen de agua que debe penetrar

en el aparato para que indique una variación de presión igual a la unidad.

- Características geométricas del filtro.

A continuación se procede a realizar un estudio comparativo de los distintos tipos de

piezómetros que podríamos escoger para diseñar el sistema de auscultación de

nuestra presa:

a) Piezómetros convencionales o de tubo abierto

Estos piezómetros están formados por un tubo metálico o de materia plástica con una

superficie filtrante en su base. Este tramo se aísla del resto del sondeo mediante una

capa de bentonita y cemento. Para facilitar la entrada de agua al sondeo, el tramo a

controlar se rellena de arena calibrada silícea y redondeada (no de machaqueo), que

constituye una frontera altamente permeable.

La punta piezométrica se fabrica de materiales inertes y durables que no se deterioran

ni corroen, y mediante ensayos simples se puede determinar su sensibilidad y la

permeabilidad del suelo alrededor de la misma. Asimismo, deben contar con un

sistema de venteo en la parte superior para permitir el ascenso del agua.


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El nivel piezométrico se puede observar de modo directo o bien automatizarse con el

uso de sondas piezoeléctricas.

Entre sus ventajas se puede destacar la sencillez asociada a su uso: de operación

simple, su costo de instalación es relativamente barato (aunque la perforación puede

ser costosa) y no requieren mantenimiento, proporcionando largos períodos de

desempeño. Su control no requiere de una especial formación en la materia al mismo

tiempo que facilitan datos que pueden procesarse con poco o ningún cálculo

matemático.

Las limitaciones de estos piezómetros se ven asociadas a los filtros porosos, que

pueden llegar a obstruirse por la repetida entrada y salida del agua: las instalaciones

en limo están sujetas a problemas resultantes de la tendencia de partículas finas a

penetrar dentro del relleno de arena, reduciendo la sensibilidad del piezómetro.

Es, por supuesto, el tipo más económico y utilizado, aunque sus resultados en suelos

de baja permeabilidad son totalmente inaceptables. Para que acuse una variación de

presión debe penetrar cierta cantidad de agua en el tubo, lo cual lleva consigo que su

tiempo de respuesta sea muy alto (este tiempo puede alcanzar fácilmente un mes para

un tubo de 7 mm de diámetro interior en un suelo con un coeficiente de

permeabilidad del orden de 2,5 . 10 -8 cm/s). Además, sus dimensiones hacen que

puedan ser dañados durante construcción o fase de explotación de forma muy sencilla

y la exigencia de que el tubo debe extenderse lo más verticalmente posible excluye el

monitoreo de ciertas zonas de la presa sometida a grandes deformaciones.

Fig 8. Diversos tipos de piezómetros convencionales

Fig 7. Colcación de un piezómetro abierto


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b) Piezómetros de base porosa o tipo Casagrande

Se basan en el mismo principio que los anteriores, pero reemplazando la superficie

filtrante por una piedra porosa y en algunos casos instalando un manómetro en la

cabeza. El diámetro del tubo utilizado es muy pequeño y está comprendido entre 7 y

15 mm, recomendándose un mínimo de 12 mm para que las burbujas de aire puedan

subir libremente sin obstruirlo.

Con las mismas ventajas e inconvenietes, el tiempo de respuesta de este piezómetro

es más corto que en los convencionales, pero sus resultados siguen siendo de poca

garantía para las necesidades reales en presas de materiales sueltos.

c) Piezómetros hidráulicos

En los piezómetros hidráulicos, la presión del agua se detecta por el extremo inferior o

punta porosa y es conducida hasta la superficie o zona de lectura por medio de un

líquido (agua o aceite) dentro de unos tubos de PVC de pequeño diámetro, interiores

al piezómetro. La variación de presión se registra mediante un manómetro de

precisión, generalmente de mercurio.

El piezómetro hidráulico más frecuentemente utilizado es el de los tubos gemelos,

donde ambos tubos están interconectados permitiendo así el paso continuo de agua.

A efectos de no obtener mediciones erróneas, se deberán purgar los tubos para

extraerles el aire ocluido, razón por la cual se los deberá mantener permanentemente

llenos de agua.

Fig 9. Instalación del manómetro de medida

Fig 10. Esquema interno del piezómetro hidráulico


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Estos piezómetros suministran mejores resultados que los convencionales y los tipo

Casagrande, fundamentalmente por dos razones: requieren un tiempo de lectura

menor que con piezómetros de tubo abierto y poseen capacidad (aunque limitada)

para medir presiones negativas. Al contrario de lo que se pudiese pensar en un

principio, son equipos más robustos, lo que los hace menos propensos a daños

durante la construcción o explotación de la presa.

Tienen el inconveniente de que, al instalar manómetros y dispositivos de presión,

requieren instalaciones complejas y delicadas (es imprescindible la creación de un

terminal de control), lo que puede interfir en la marcha de la construcción. Además los

manómetros proprocionan una significativa rata de falla y requieren técnicas de

mantenimiento anual algo complicadas que exigen entrenamiento especializado. A

este hecho se añade la falta de disponibilidad de estos equipos y sus altos costos de

fabricación, que se incrementan porque los manómetros deben reemplazarse en

promedio cada 10 años.

d) Piezómetros neumáticos

Los piezómetros neumáticos consisten en dos tubos llenos de aire donde el dispositivo

de medición se encuentra conectado a una válvula, en adyacencias del material

poroso. Constan de una cámara de equilibrio en la que se ha incorporado un diafragma

que abre o cierra la conexión entre los dos tubos, los cuales alcanzan la superficie

donde se realizan las operaciones necesarias para medir la presión intersticial.

Normalmente el fluído utilizado es gas, aunque en algunos casos se utiliza también

agua u otro líquido.

El principio de medida es el siguiente: la presión intersticial que queremos medir,

cierra el conducto de retorno, de modo que si accionamos una bomba, transmitimos

una determinada presión a través del conducto hasta el hueco de la cámara de

equilibrio, obligando a que el diafragma se separe y establezca comunicación entre

ambos conductos de una forma regular. En estas condiciones, la presión medida en el

manómetro debe ser la misma que la presión intersticial.

Estos piezómetros, por trabajar prácticamente a caudal constante, son bastante

sensibles y sus resultados, si son debidamente tratados, pueden considerarse

aceptables. El único mantenimiento requerido es la ocasional calibración de los

manómetros de los equipos de lectura y la remoción de agua de las mangueras cuando

se necesite. Su uso se ha generalizado donde las operaciones de construcción podrían

dañar otro tipo de instrumentación, ya que también minimiza la interferencia con los

equipos de construcción.


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Plantean, no obstante, problemas de realización de lecturas por el mismo principio de

medida, ya que para que esta válvula trabaje correctamente, se requiere de un

pequeño cambio volumétrico del material poroso, situación difícil de ocurrir cuando se

está en presencia de suelos arcillosos de alta plasticidad. Además su proceso de

registro crea la necesidad de un entrenamiento de personal considerable.

Otra limitación es que han sido usados por un tiempo relativamente corto y su

durabilidad todavía está por probarse totalmente.

Fig 11, 12. Piezómetros neumáticos

e) Piezómetros eléctricos

El funcionamiento de estos piezómetros es el siguiente: el agua intersticial penetra en

el piezómetro a través de una piedra porosa, deformando una membrana muy

sensible; esta deformación, que es proprocional a la presión intersticial, se mide

mediante extensómetros eléctricos, por lo que su funcionamiento es análogo al de los

transductores de presión.

Aunque son muy sensibles y su respuesta es casi instantánea, sus limitaciones están

relacionadas con la medición de diminutos cambios de resistencia eléctrica: requieren

de precauciones extras y técnicas apropiadas durante su instalación y lectura, y a pesar

de ello presentan problemas de aislamiento y su fiabilidad a largo plazo no es buena.

Fig 13. Piezómetro eléctrico


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Si las determinaciones a realizar requieren de largos períodos de medición en

condiciones de equilibrio hidrostático, o si las lecturas deben ser transmitidas a lo largo

de grandes distancias, entonces se deberá utilizar un transductor de presión del tipo

de cuerda vibrante.

f) Piezómetros de cuerda vibrante

Su funcionamiento es similar a los eléctricos: convierte la presión del agua en una

frecuencia a través de un diafragma, un hilo de acero tensionado y una bobina

electromagnética.

El piezómetro está diseñado de forma que un cambio de la presión en el diafragma da

lugar a un cambio de la tensión en el hilo. Cuando es excitado por la bobina

electromagnética, el hilo vibra a su frecuencia natural. La vibración del hilo en la

proximidad de la bobina magnética genera una señal de frecuencia que es transmitida

a la unidad de lectura, que procesa la señal, aplica los factores de calibración y muestra

el dato leído en la unidad de medida adecuada.

Estos piezómetros están demostrando que sus resultados son de gran fiabilidad, ya

que presentan tiempos de respuesta muy cortos (prácticamente instantáneos) y

proporcionan resultados de gran precisión, sensibilidad y fidelidad. Se ha constatado

además su buen funcionamiento en suelos de baja permeabilidad donde los flujos de

agua son pequeños. También se utilizan donde se requiere el monitoreo de presiones

de poro negativas.

Aunque son más caros que otros tipos, su uso se va generalizando, pues los resultados

de total garantía que se obtienen contrarrestan aquel inconveniente. Son además

fáciles de instalar y de leer, admitiendo centralización incluso con control automático

sin excesivos problemas. El único mantenimiento requerido es el cuidadoso

mantenimiento de las unidades de lectura y las baterías, pero se requiere un

entrenamiento especial del personal para calibrar y ensayar el equipo antes de

instalarlo.

Entre sus limitaciones también hay que destacar su inhabilidad para desairear las

puntas de los piezómetros. En aplicaciones donde son importantes pequeños cambios

de la presión de poro, es necesario hacer correcciones por cambios en la presión

barométrica y por temperatura, aunque no es generalmente un problema en la

mayoría de las presas.


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A pesar de que no se tiene una amplia experiencia con estos equipos parecen ser

rígidos y durables. La facilidad con que se pueden automatizar puede llegar a ser una

ventaja importante en el futuro.

Fig 15. Piezómetro de cuerda vibrante mod T650

Fig 14. Esquema interior de un piezómetro de cuerda vibrante

Por último hacer referencia a unos elementos que, sin formar parte propiamente dicha

del sistema de auscultación, pueden proporcionar información interesante sobre la

evolución del comportamiento de la presa: los cabezales de drenes.

Los drenes se utilizan normalmente para controlar las subpresiones en el cimiento de

las presas. Dentro de la auscultación hidráulica es un dato esencial ya que permite

conocer la eficacia de la red de drenaje y el comportamiento de la pantalla de

impermeabilización y la ley de subpresiones en las secciones controladas.

Estos cabezales disponen de una llave de tres vías, con posiciones de cerrado (no

permitiendo drenaje), abierto (drenando) y de lectura, de forma que cuando existe

presión en el dren este efectúe la medida con un manómetro. Los tubos y piezas de

unión hasta el tubo del dren son de PVC, cortados y acoplados a medida para llevar

agua hasta la canaleta de la galería.

Para realizar las medidas cada equipo lleva incorporado un manómetro, roscado en la

parte superior del cabezal, de modo que se pueden obtener directamente las

subpresiones en ese punto (en Kg/cm2) con solo girar la llave a la posición de lectura.


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Fig 16. Esquema de drenaje de una presa de materiales sueltos Fig 17. Manómetro de control

6. Instalación de los equipos

En general, estos sensores y sistemas se colocan en mayor número en la sección de

más altura y en la sección que se considere más delicada, completando esta

información en alguna sección más, buscando siempre un equilibrio entre la necesidad

de auscultar y la funcionalidad e importancia de la información que se persigue. Los

controles de auscultación se establecerán por perfiles transversales y por cotas; de

esta forma se facilitará la instalación de los aparatos, cables y tubos, así como la

interpretación de las medidas realizadas.

Se procurará obtener la ley de subpresiones en el contacto del hormigón con la

cimentación en algunos perfiles o bloques de la zona del cauce así como en aquellas

zonas en que sea conveniente, debido a las características geológico-geotécnicas y

geométricas de la cimentación y/o a las dimensiones de la sección de control. Para

realizar este control se medirán subpresiones en 2 ó 3 puntos del perfil, dependiendo

de la longitud de la base de la sección.

El grado de confiabilidad de las mediciones de presiones de poro obtenidas mediante

piezómetros se basa en el éxito de la correcta instalación, sellado e impermeabilización

de los mismos. Los elementos porosos deberán estar saturados de agua, sin aire libre,

previamente a la instalación del piezómetro.

En suelos blandos, el elemento poroso puede ser introducido mediante hincado o

empuje estático del mismo, con la salvedad de adoptar todos los recaudos necesarios

para no dañarlos. A tal efecto se deberá utilizar un piezómetro de hinca que posea un

protector para dicho material.

En el caso de arcillas, este procedimiento remoldea por corte la matriz que caracteriza

las propiedades de permeabilidad del estrato investigado, alterando las mediciones a

realizar. Asimismo se deberá considerar que la hinca o empuje del piezómetro


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generará un exceso de presión de poro y, en suelos de baja permeabilidad, originará

durante largo tiempo su disipación.

En presencia de suelos duros, el piezómetro es introducido dentro de una perforación

realizada para tal fin, con el elemento poroso rodeado por una capa de arena bien

graduada, con función de filtro. La parte superior de la perforación, hasta el nivel del

terreno circundante, deberá ser rellenada con mortero cementicio.

Los piezómetros neumáticos y/o eléctricos se emplean cuando la cápsula piezométrica

está alejada de la zona de lectura y cuando el nivel piezométrico es relativamente bajo.

Los piezómetros hidráulicos (o de tubo gemelo) se emplean cuando las presiones

intersticiales son relativamente altas. Normalmente están conectados a manómetros

en la caseta de lectura.

El número y situación de cada tipo de piezómetro tiene que determinarse por los

proyectistas de acuerdo con el tipo y tamaño de la presa y según las características del

cimiento. Dado que los piezómetros funcionan mal y se averían por distintos motivos,

es conveniente instalar un número mayor que el necesario para poder juzgar

correctamente el comportamiento de la presa. En lugares críticos es conveniente

instalar dos tipos diferentes de piezómetro con el fin de disponer de medidas

contrastadas.

La implantación de los sensores de presiones intersticiales y niveles freáticos se

realizará en:

- El núcleo impermeable.

- El contacto del núcleo impermeable o sección impermeable con la cimentación.

- Inmediatamente aguas debajo de la pantalla impermeable.

- Entre filtros horizontales.

- Entre filtros verticales o subverticales básicos.

- En la cimentación.

En núcleos impermeables, la distribución de puntos de medición de las presiones

intersticiales se realizará de forma que se puedan definir las líneas equipotenciales de

la red de corriente, durante la fase de puesta en carga y posteriores.

Serán objeto de control especial de las presiones intersticiales en el núcleo:

- Las zonas singulares.

- Las zonas próximas a muros de hormigón o elementos rígidos (posibles vías de

agua).

- Las zonas próximas a otros materiales de mayor permeabilidad (filtros y

espaldones).


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El contacto del núcleo impermeable o semipermeable con la cimentación requerirá

gran atención, en especial las zonas próximas al canal o túnel de desvío y en la de rocas

fracturadas, fallas, etc., así como aquellas zonas donde hayan existido manantiales,

independientemente de que estos hayan sido adecuadamente reconducidos al

embalse o al exterior.

Algunos accidentes geológicos de la cimentación de la presa pueden ser vías

preferentes de circulación de agua, aunque se hayan realizado tratamientos en la

cimentación anteriormente a la primera puesta en carga, y requerirán la medición en

ellas de las presiones intersticiales. En estos sitios siempre será recomendable instalar

piezómetros cerrados del tipo eléctrico, por su rápida respuesta a las variaciones de la

variable a controlar.

Las conducciones de los aparatos no pueden atravesar el núcleo de las presas de

escollera. Cuando se utiliza un tubo conductor para llevar los terminales de varios

piezómetros hasta la coronación de la presa y se emplea un suelo aislante para

proteger los tubos, debe hacerse un buen control de calidad para evitar

compactaciones diferenciales y posibles subsidencias.

A continuación se presenta el sistema de auscultación de la presa de Torres del Águila

(Sevilla), una presa de materiales sueltos con diafragma de hormigón.


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En la actualidad son numerosas las empresas de auscultación que proporcionan un

diseño completo del sistema de control, desde en número y colocación de los diversos

sensores hasta el software de recopilación y análisis de los resultados.

Fig 19. Ejemplo de un sistema integrado de auscultación y control

Es necesario subrayar el papel insustituible de la vigilancia visual de la presa y sus

alrededores, realizada por personas que conozcan bien la obra, para poder detectar las

anomalías que no serían descubiertas por ningún aparato por muy complejo y sensible

que sea: fisuras y fugas, degradación local de los materiales, extensión de las manchas

de humedad, etc.


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BIBLIOGRAFÍA

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Control hidráulico en presas de materiales sueltos

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