Las presas de materiales sueltos son presas de gravedad en cuya composición intervienen materiales naturales (rocas, piedras, gravas, arenas, limos y arcillas) que son tratados sin sufrir ningún proceso químico de transformación y colocados mediante procedimientos de compactación propios de la mecánica de suelos para la construcción de la presa.
Los sobrevertidos son especialmente prescritos en el caso de las presas de materiales sueltos que no soportan ser sobrepasadas por una crecida.
Clasificación de presas de materiales sueltos
Una presa de materiales sueltos, según el Artículo 50º de la Instrucción para el proyecto, construcción y explotación de grandes presas, es una presa cuyos elementos no están ligados entre sí por conglomerantes hidráulicos y las clasifica en cuatro grupos: presas homogéneas, presas con diafragma impermeable, presas heterogéneas y presas de relleno hidráulico.
Las «presas homogéneas» de materiales sueltos están construidas con tierras de una sola calidad, generalmente apisonadas, de impermeabilidad suficiente para limitar por sí mismas el paso del agua. Suele llevar mantos de otro material como protección de los paramentos, o como filtros, sin dejar de pertenecer a esta clase, siempre que estos mantos no tengan un volumen comparable al de las tierras del cuerpo de la presa.
Las «presas de diafragma impermeable» son aquellas presas de materiales sueltos en que la función de detener el paso del agua está confiada a una lámina que puede ser de hormigón armado, hormigón en masa, metal, mezclas asfálticas, materiales plásticos, etc. Este diafragma suele aplicarse en el paramento de aguas arriba, en cuyo caso la denominaremos «presas de pantalla impermeable», empleando en cambio el nombre de «presa con diafragma interior» para los otros casos. Las presas con diafragma impermeable suelen estar constituidas en su masa por escollera, aún cuando hay algunas constituidas, al menos en parte, por tierras. La escollera puede ser «vertida», «apisonada» o «vibrada». También puede constituir en trozos de piedra colocados de forma que ocupen desde el principio posiciones muy estables, en cuyo caso la masa así constituida recibe el nombre de «mampostería en seco». Finalmente, «escollera arreglada» es la escollera vertida cuyos bloques han sido manipulados con palancas o con grúa, para llevarlos a posiciones más estables.
Las «presas heterogéneas» son las presas de materiales sueltosa formadas por materiales diferentes, agrupados adecuadamente en distintas zonas de la presa. Alguna de estas zonas deberá ser impermeable, pudiendo estar constituida por tierras o bien por una mezcla asfáltica. Los materiales son más permeables a medida que nos alejamos del núcleo de la presa.
Se asimilarán a presas heterogéneas de tierra, aquéllas presas constituidas por una sola clase de tierras, pero en las que se colocan en los espaldones alternadas capas horizontales de drenaje, que confieren a la masa de éstos características correspondientes a un material de mucha mayor permeabilidad que el núcleo.
Las presas heterogéneas pueden ser «de tierra» o «de escollera», si bien la transición es gradual de uno a otro tipo. Llamaremos, a los efectos de esta Instrucción, presas de escollera a aquéllas en que las zonas formadas exclusivamente de elementos gruesos de roca, que constituyen un conjunto de permeabilidad ilimitada, ocupen más de dos tercios de la sección del cuero de la presa.
El ORSEP (Organismo Regulador de Seguridad de Presas de Argentina), por su parte, da consideración de presas de escollera a las presas de materiales sueltos cuyo material está compuesto en más de un 50% por piedras.
Llamaremos «presas de escollera con núcleo delgado» a aquéllas en que el área de la zona formada de tierras impermeables o de mezcla asfáltica, no ocupe más del décimo de la sección transversal de la presa.
En el caso de «presas de relleno hidráulico», el material se draga en lugar apropiado y se transporta en suspensión por medio de tuberías. El proceso de formación del relleno tiene lugar por sedimentación, la cual se regula del modo conveniente para conseguir el fin que se desea.
En ocasiones, el relleno hidráulico se emplea tan sólo para constituir una de las zonas de la presa, en particular, una zona permeable, con terrenos arenosos, dando así origen a una presa mixta. Otras veces, el transporte hidráulico y la sedimentación se utilizan únicamente para rellenar los huecos de una escollera y colocada, con el objeto de aumentar su densidad y, eventualmente, proteger la roca de la meteorización. Esta operación se considera como complementaria de la ejecución de la escollera y no como un verdadero proceso de relleno hidráulico.
El método de construcción llamado «relleno semihidráulico», que consiste en transportar el material por medio de vehículos para ser posteriormente colocado en obra por extendido con chorros de agua, no es habitual en la actualidad, ya que la ventaja principal de este procedimiento es la economía del transporte por tubería. Sin embargo, si se llegara a emplear, la presa así constituida, se consideraría de relleno hidráulico, pues el transporte previo en vehículos no introduce diferencia esencial en las cualidades del relleno construido.
Impermeabilización y drenaje de las presas de materiales sueltos
La impermeabilización y drenaje de las presas de materiales suelos está contemplado en el Artículo 54º de la Instrucción para el proyecto, construcción y explotación de grandes presas:
54.1.- El elemento de la presa destinado a impedir el peso del agua será estudiado y ejecutado con un cuidado especial. Aún en el caso de presas homogéneas, se señalará en el Proyecto una pantalla o un espaldón aguas arriba, en el cual se vigilarán particularmente la calidad de los materiales y la puesta en obra de los mismos, para asegurar la impermeabilidad del conjunto.
54.2.- Se extremarán los cuidados en el contacto entre el elemento impermeable y el cimiento y laderas, previendo disposiciones adecuadas para un enlace perfecto. En particular, si las laderas son de roca, se regularizarán de modo que, en toda el área de contacto, no queden planos verticales ni en desplome, ni discontinuidades bruscas en la roca, siendo incluso más recomendable que todos los planos de contacto queden con pendientes no superiores a 5 y sin puntos angulosos marcaos en los acuerdos.
En el caso de grandes irregularidades o fuertes pendientes, puede ser recomendable regularizar el asiento del núcleo con hormigón, incluso estableciendo una cama continua. Esta disposición tiene también la ventaja de facilitar las inyecciones del tratamiento superficial en la roca, si las hubiere.
54.3.- En los casos de diagrama o pantallas de hormigón, deberá estudiarse cuidadosamente la disposición de las juntas que garanticen la impermeabilidad, permitiendo al mismo tiempo el juego de asientos previsibles.
Los diafragmas de hormigón, a pesar de estas medidas, suelen agrietarse. Al ser interiores, la posibilidad de reparación adecuada es escasa, por lo cual esta última disposición se considera hoy poco conveniente. En el caso de que se adopte, se recomienda colocar en su paramento de aguas arriba una capa de arcilla o de material asfáltico que pueda impermeabilizar las probables fisuraciones.
54.4.- En el caso de pantallas en el paramento de aguas arriba, de hormigón o de otro cualquier material, se colocará en su trasdós una capa adecuada de drenaje, para evitar la posibilidad de subpresiones durante el desembalse.
Es conveniente que esta capa de drenaje tenga un conducto independiente de evacuación al exterior fácilmente inspeccionable, que permita descubrir sin dilación cualquier rotura de la pantalla.
54.5.- Si la zona impermeable es de tierra, su espesor y la calidad de las tierras a emplear deberán estudiarse con el mayor cuidado, para garantizar una impermeabilidad suficiente y evitar el riesgo de erosión interna debida a la filtración.
En particular, cuando sea inevitable el empleo de tierras limosas o de arcillas de baja plasticidad, se tendrá muy en cuanta la posibilidad de agrietamiento, por la falta de flexibilidad de los macizos constituidos por estos materiales. El estudio de este problema se deberá hacer con todo detalle cuando la cimentación sea compresible o cuando las laderas de la cerrada sean muy pendientes, caos en los que se harán ensayos para determinar la deformabilidad e las tierras, en condiciones equivalentes a las de su puesta en obra.
56.6.- En todos los casos, se estudiarán con la mayor atención todas las posibilidades de paso del agua a través de la presa, del cimiento y de las laderas, tanto en la filtración normal como en posibles defectos y averías, y se proyectarán las disposiciones necesarias para que la evacuación de estas filtraciones se haga sin el menor peligro para la estabilidad de la presa y sin posibilidad de arrastres, para lo cual toda posible superficie del macizo terroso a través de la cual puedan emerger las aguas, deberá quedar protegida por un material de condiciones adecuadas para que sirva de filtro.
En muchos casos, será conveniente proyectar una red de conductos de drenaje que evacuen al exterior los posibles caudales filtrados, en condiciones tales que permitan su identificación,vigilancia y aforo. En particular, se estima conveniente la construcción de una galería longitudinal visitable, en la base de la pantalla, del núcleo o del diafragma, que permita dicha vigilancia y al mismo tiempo sirva de acceso para la ejecución o el perfeccionamiento de una cortina de inyecciones en el cimiento, si resultara necesario. Igualmente conviene que esta galería penetre en el terreno de las laderas, para vigilar y combatir las filtraciones que en ellas puedan producirse.
54.7.- Los filtros de protección constarán de una o varias capas de materiales tales que establezcan una transición entre las granulometrías de dos zonas en contacto en las superficies a través de las cuales puede haber filtración, en condiciones normales o accidentales.
Estos filtros deberán ser capaces de evitar arrastres peligrosos de partículas finas, extremo que se justificará mediante reglas empíricas corrientemente admitidas en la práctica, o bien por experimentación directa con los materiales en contacto.
Estos filtros se reforzarán, aumentando el espesor de sus capas e incluso su número, en los puntos más peligrosos, como son, por ejemplo, las proximidades del contacto con las laderas.
54.8.- capas de transición son las que se colocan entre zonas en contacto, pero en superficies en las que no exista filtración importante. Su objeto es evitar la interpenetración entre dichas zonas y los asientos consiguientes. Como en el caso de los filtros, el material de que consten ha de establecer un tránsito gradual entre las dos granulometrías, salvo que aquí las condiciones no necesitan ser tan rigurosas.
Coronación y resguardo de las presas de materiales sueltos
La cota de coronación de una presa es la cota más elevada de su estructura resistente. En el caso en que parte de la presa esté ocupada por los aliviaderos, se considerará como coronación la de los estribos de aquélla.
La presa debe tener la suficiente altura para impedir impedir que las olas superen su coronación. En las presas de materiales sueltos, además, debe considerarse un
resguardo suplementario que tenga en cuenta los asentamientos de la presa y su
cimentación.
Anchura de coronación de una presa de materiales sueltos
La anchura mínima de la coronación de una presa de materiales sueltos depende de la sismicidad de la zona.
Cuando la altura de la presa sea inferior a 15 m. y estemos en zona de sismicidad baja, la anchura de la coronación será como mínimo 3 m. En todo caso, se dispondrá sobre ella un camino de servicio o de uso público, según los casos.
En las zonas de sismicidad media, la anchura de coronación mínima será la correspondiente a sismicidad baja más un 25%, y en las de sismicidad alta, el 50 %.
Estabilidad de las presas de materiales sueltos sometidas a sobrevertido
El resguardo de una presa es la diferencia de cota entre el máximo nivel de embalse en avenidas y el de coronación. El resguardo será, como mínimo, de vez y media la altura de la máxima ola posible originada por el viento.
En las presas de materiales sueltos es fundamental evitar cualquier riesgo de vertido sobre la coronación no admitiéndose, en principio, la colocación de aliviaderos de ningún tipo sobre el cuerpo de la presa, salvo especial justificación.
El sobrevertido en una presa de materiales sueltos se produce cuando el nivel del agua embalsada supera la cota de la coronación de la presa y es la principal causa de rotura de este tipo de presas (el 31% de la rotura de presas de materiales sueltos fueron directamente causadas por sobrevertido y en el 18 % de los casos, el sobrevertido fue causa secundaria).
La rotura de presas de escollera puede producirse por arrastre y erosión progresiva del talud, por deslizamiento en masa (rotura con carácter súbito) o por una combinación de ambos mecanismos.
Presas de materiales sueltos ante acciones sísmicas
Aunque desde la década de los 30 se han considerado criterios sísmicos en los proyectos de presas, los fundamentos y métodos de cálculo han variado sustancialmente.
La respuesta dinámica de una presa de materiales sueltos ante la acción sísmica depende de las características de deformación de todos los materiales que la componen. El comportamiento de las presas de materiales sueltos frente a la acción de un terremoto y su seguridad se evalúa atendiendo a los siguientes puntos:
- Deformaciones permanentes y estabilidad de los taludes durante y después de la ocurrencia de un terremoto.
- Presiones intersticiales excesivas en los materiales sueltos y en la cimentación (posible licuefacción del suelo). La licuefacción es el mayor problema que se puede presentar en las presas de estériles y en las presas pequeñas de tierra construidas con materiales no cohesivos o cimentadas sobre tales materiales.
- Vulnerabilidad a la erosión interna de la presa debido a la aparición de fisuras.
- Debido a los grandes cizallamientos pueden aparecer movimientos limitados en los taludes del material y zonas de materiales dañados. La fisuración transversal puede provocar la rotura de las presas de materiales sueltos que no disponen de filtros, drenes, zonas de transición o zonas donde estos elementos no se prolonguen sobre el nivel del agua contenida en el embalse.
En el caso de las grandes presas de materiales sueltos las deformaciones permanentes producidas por la acción sísmica deben ser calculadas, aunque los métodos basados en análisis dinámicos para el cálculo de grandes presas de tierra o presas de escollera con pantalla de hormigón son aproximados, sobre todo en el caso de escolleras o presas cuyos materiales no han sido debidamente compactados.
Construcción de presas y control de calidad | Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos.
Guía que incluyen muchos temas de sobra conocidos por los ingenieros experimentados, pero que no lo son tanto para aquellos que inicien su actividad profesional en el mundo de las presas.1. Introducción. 2. Planificación de la construcción. 3. Desvío del río. 4. Excavaciones. 5. Tratamientos de la cimentación. 6. Construcción de presas de hormigón. 7. Construcción de presas de materiales sueltos. 8. Montaje y pruebas de las instalaciones y equipos permanentes. 9. Instalaciones de aparatos y equipos de auscultación. 10. Otros tipos de presas. 11. Puesta en carga. Bibliografía.
- COLEGIO DE INGENIEROS,CANALES (Autor)
Construcción de presas y control de calidad | Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos.
La actual normativa española sobre seguridad de presas y embalses puede considerarse conceptualmente avanzada pero, en ocasiones, peca de exceso de heterogeneidad, imprecisión y complejidad, dificultando su aplicación práctica. Este libro ofrece una visión global de la normativa, incidiendo sobre las obligaciones correspondientes a cada tipo de presa y sus plazos. Se incluyen y comentan los textos legales más relevantes. Se ofrece un completo Glosario que contiene una selección de más de 100 términos y conceptos, indicando qué normas se refieren a ellos y a qué obligaciones conllevan.
Más información:
- Las presas de materiales sueltos y sus patologías, del Ministerio de Medio Ambiente y Marino
- Sociedad Española de Presas y Embalses
