presas hihidraulicas
Descripción
Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
ÍNDICE 1.
Introducción .............................................................................................................................................4
2.
Función de las presas................................................................................................................................5
3.
Tipologías de presas por sus materiales ...................................................................................................7 3.1.
Presas de fábrica............................................................................................................................ 12
4.
Presas de materiales sueltos ................................................................................................................. 40
5.
Presas hinchables .................................................................................................................................. 78
6.
Tipologías de presas según la forma de resistir los empujes ................................................................ 81
7.
8.
6.1.
Presas de gravedad ........................................................................................................................ 82
6.2.
Presas de contrafuertes................................................................................................................. 89
6.3.
Presas arco-gravedad .................................................................................................................... 92
6.4.
Presas bóveda ................................................................................................................................ 95
Tipologías de aliviaderos de presas ..................................................................................................... 104 7.1.
Aliviaderos sin control o de labio fijo .......................................................................................... 108
7.2.
Aliviaderos escalonados .............................................................................................................. 121
7.3.
Aliviaderos con compuertas ........................................................................................................ 125
7.4.
Aliviaderos laterales .................................................................................................................... 128
7.5.
Aliviaderos exentos tipo Morning Glory o Pozo .......................................................................... 130
7.6.
Aliviaderos laberínticos ............................................................................................................... 134
7.7.
Aliviaderos fusibles ...................................................................................................................... 138
7.8.
Desagües y Tomas ....................................................................................................................... 139
Elementos de disipación ...................................................................................................................... 150 8.1.
Cuencos de disipación ................................................................................................................. 151
8.2.
Trampolines de lanzamiento ....................................................................................................... 158
8.3.
Trampolines sumergidos ............................................................................................................. 161
8.4.
Otros Disipadores ........................................................................................................................ 165
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
1. Introducción La Aplicación al diseño de presas se ha dividido en tres partes En la primera parte se trata sobre las funciones generales de las presas, de las tipologías de presas según sus materiales, de los tipos de aliviaderos y de los tipos de disipadores empleados comúnmente en el diseño de presas. En la segunda parte veremos criterios para seleccionar uno u otro tipo de presa. También estudiaremos el fenómeno de la laminación en las presas y finalmente veremos el marco legal y las recomendaciones generales que nos permiten el diseño de las presas. En la tercera parte veremos el prediseño estructural y de estabilidad de las presas, los elementos mecánicos de regulación o seccionamiento de una presa, y la auscultación, planificación y valoración de una presa. Una presa es una estructura hidráulica cuya función principal es la retención de agua con objeto de elevar el nivel de la misma y crear un volumen embalsado. La elevación de nivel nos permite crear una cota suficiente para derivar agua en un aprovechamiento eléctrico o en la alimentación a sistemas de abastecimiento o regadío. La creación de un volumen puede destinarse a laminación de avenidas o de regulación de aportaciones naturales. Además, como estructura, la presa debe ser resistente y estable e impermeable y por su carácter de hidráulica debe de estar dotada de los elementos oportunos para controlar el volumen embalsado y evacuar los excedentes que, a veces con gran intensidad y escaso tiempo, acabarán presentándose. Todo ello debe conseguirse evitando dañar no sólo el entorno del embalse, sino las propias instalaciones de la presa.
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
2. Función de las presas La presa es básicamente un muro que se coloca en una sección de un río o un arroyo que impide el paso del agua de manera natural ya que queda retenido total o parcialmente el flujo. Al realizarse esta retención el nivel del agua tiende a subir hasta desbordar por los pasos libres que deje la estructura, ya sea a través de desagües en el propio cuerpo de la presa, aliviaderos de superficie que permiten la evacuación del caudal una vez superada una cierta cota, o bien por desbordamiento de la propia estructura. Esta elevación de nivel va a inundar la zona aguas arriba de la presa que denominaremos embalse, ocupando la sección hasta la altura de coronación más la curva de remanso que se produce al integrarse nuevos caudales al embalse desde cualquiera de sus tributarios.
Presa del Atazar
Esta elevación nos va a permitir, por otro lado, ganar cota de energía ya sea para un aprovechamiento energético donde sabemos que la altura del salto es directamente proporcional a
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
la potencia del aprovechamiento, o bien para dar presión y servir por gravedad a una red de abastecimiento o riego. La retención, al ganar altura proporciona un almacenamiento de agua con el cual podremos asegurar una cierta regulación de las aportaciones, ya sea al estar éstas reguladas como en las tomas de centrales hidroeléctricas, abastecimientos o riegos, o bien al almacenar parte de las crecidas o avenidas naturales del río o arroyo. Esta función de almacenamiento durante un episodio de grandes lluvias permite reducir los caudales máximos que vaya a llevar el cauce aguas abajo de la presa. Hay, de hecho una tipología de presas para laminación como la “Presa del Agujero” en Málaga, aguas arriba de la presa de “El Limonero”, cuya misión es exclusivamente la laminación de avenidas. Son presas formadas por un muro con un portillo o hueco preparado en la zona baja de la estructura que permite el paso de las avenidas ordinarias sin una gran reducción de caudal y, conforme sube el caudal entrante la salida se mantiene muy inferior al caudal de entrada al embalse.
Presa de El Agujero, Málaga. Presa de uso exclusivo de laminación
Otras funciones de las presas también se recogen en este apartado: -
Elevar la cota
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
-
Almacenar y regular
-
Laminar avenidas
-
Generar energía
-
Ocio
3. Tipologías de presas por sus materiales Sabías que… Las presas han venido realizándose con continuidad desde hace al menos 4000 años como lo indica la presa de Sadd-el-Kafara, Egipto, de aproximadamente 2600 a.c. En España, los romanos construyeron algunas presas que siguen estando en funcionamiento hoy en día como la de Proserpina (20 m) o Cornalbo (25 m), ambas en Mérida.
Presa de Proserpina
Los árabes en los siglos XIV y XV construyeron entre otras las presas de mampostería más atrevidas de la época como las de Almansa, Tibi y Elche, o la de Monteagudo de Las Vicarias en la provincia de Soria.
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
Presa de Almansa de 1384
En Méjico, aprovechando los conocimientos sobre presas que se ejecutaban en España se ejecutaron una serie de obras como las presas de Aguas Calientes (1750. Contrafuertes).
Sabías que… En España, a partir del siglo XIX se realizaron grandes obras de mampostería y sillería como la presa del Villar de 1882, o Escuriza de 1896
Presa de El Villar
En el siglo XX se realizaron una gran mayoría de las presas hidroeléctricas y todas las de apoyo a los planes de regadío. La más alta es La Almendra (Duero), bóveda de 200 m de altura . Las de mayor volumen: La Serena y Alcántara (más de 3000 Hm3) .
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En materiales sueltos: Canales, con 150 metros de altura.
Presa de la Almendra
Según datos de E. Vallarino (1990), las presas de gravedad de hormigón suponen un 12% sobre el total mundial, frente al 83% de las de materiales sueltos. Sin embargo, en España la proporción es casi inversa, con un 67% de gravedad y un 24% de materiales sueltos. Las presas bóveda son, aproximadamente, un 6% del total, tanto en España como en el resto del mundo. Aunque estas cifras son algo anticuadas, hoy en día las tendencias son similares.
altura
presa
país
tipología
300 m
Nurek
Tajikistan
MS
265 m
Vaiont
Italia
BV
285 m
Grande Dixence
Suiza
GR-HV
En volumen
Tres Gargantas
China
GR-HV-HCR
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Presa de Nurek de 300 m de altura
Las presas de gravedad imperan fundamentalmente en el rango de alturas de 60 a 100 m, aunque la más alta es La Grande Dixence suiza, de 285 m Las bóvedas abundan en grandes alturas (más de 100 m) y la más alta es la rusa Inguri de 272 m Las presas de materiales sueltos predominan en alturas moderadas, aunque la de Nurek rusa tiene 305 m y la inacabada de Rogún 335 m de altura.
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Presa de Grande Dixence, Suiza, 285 m de altura.
Presa de las Tres Gargantas.
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3.1.
Presas de fábrica
En este apartado hablaremos sobre las presas ejecutadas con materiales aglomerados mediante el empleo de conglomerantes o conexiones que permitan considerar una importante cohesión en su sección. La única clasificación en este tipo de presas corresponde a si se trata de elementos que funcionan como un sólido rígido o como una estructura de elementos independientes como los mampuestos o sillares. Tal como comenta Joaquín Díez Cascón, la disponibilidad de los materiales y el avance de la ciencia que los estudia ha condicionado el desarrollo de la Ingeniería de Presas de Fábrica. En este siglo, la evolución de los hormigones ha determinado la de la tipología de las presas, métodos de construcción y calidad y economía de obra. La evolución de los conglomerantes ha estado dirigida por la búsqueda de sistemas de fabricación que garantizasen una calidad uniforme y suficiente y por las indagaciones sobre elementos sustitutivos que mejorasen las características del cemento base y redujesen su calor de hidratación. Lectura recomendada Es muy interesante la publicación de Joaquín Díez -Cascón Sagrado, a través del SEPREM que se pude localizar en la dirección de Internet que se acompaña: http://www.seprem.com/paginas/SeccionTecnica/PresasyEmbalses/INGENIERIA_DE_ PRESAS_DE_FABRICA_EN_ESPANA.pdf
Pueden distinguirse los siguientes periodos en el desarrollo de los conglomerantes: Periodo de utilización de cales y cementos naturales, que ocupa desde las primeras civilizaciones hasta los primeros años de este siglo. Periodo inicial de los cementos artificiales, que ocupa las primeras décadas de este siglo. En este periodo se alcanza el conocimiento elemental de los componentes y procesos de hidratación que explican las características de los distintos cementos hidráulicos.
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
Periodo de desarrollo y mejora de los cementos artificiales, que ocupa desde la década de los 40 hasta la mitad de la de los 60. En este periodo se produce un paulatino y sustancial progreso en los procesos de fabricación y control y, en consecuencia, de la uniformidad del suministro. Periodo de inicio en el uso de adiciones puzolánicas, que comprende gran parte de la década de los 50 y se extiende hasta finales de la de los 70. Periodo de intensificación en el uso de adiciones puzolánicas, que comprende desde finales de los 70 hasta la actualidad y coincide con el desarrollo de las presas de HCR.
3.1.1. Mampostería En la historia de las presas, las primeras construcciones consistían generalmente en una zona central rellena con material suelto, rodeada por espaldones de roca y con parámetros protegidos por mampostería ordinaria. La primera presa de mampostería de importancia, Kesis Golu en Turquia de 10 m de altura data de este mismo periodo. En el periodo posterior a 1000 d.c., se propago la actividad de construcción de presas, con un crecimiento rápido en la altura de las presas y en la audacia de sus concepciones. Particularmente notoria fue la construcción de un conjunto de presas de gravedad de mampostería en Iran, y la extraordinaria presa Sultan Mahmud de 31 m en Afganistán. En los años posteriores comenzó en forma más seria la construcción de presas en muchas partes de Europa. La construcción de presas en mampostería en España en el siglo XVI avanzo considerablemente. La magnífica presa de gravedad de Tibi con 42 m de altura se concluyó en 1594 y le siguió un grupo importante de estructura de mampostería.
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
Presa de Tibi
Debido a la expansión rápida del Imperio español, su experiencia en construcción de presas se exporto a América Central y del Sur. Como un caso representativo de su amplitud, la minería de metales centralizada en Potosí (Bolivia) era, a mediados del siglo XVII, abastecida por un grupo de 32 embalses. Durante el periodo de 1700 a 1800 la ciencia de construcción de presas avanzo en forma más o menos lenta. Los albores de la primera Revolución Industrial dieron un ímpetu considerable a la construcción de presas de relleno en Gran Bretaña y Europa occidental en el periodo iniciado hacia 1780. El diseño de presas de relleno continuó siendo muy empírico. En España a partir del siglo XX donde se empezó a consolidar el uso del hormigón en las presas, se fue abandonando el uso de la mampostería y sillería en el diseño de las presas. Sin embargo, aún hoy pueden encontrarse recomendaciones para el proyecto de presas de mampostería como el manual editado por el gobierno de Méjico para el diseño de estas presas que parece emplean como elementos de retención de sedimentos en torrentes y ríos con abundantes arrastres. Son presas de modificación de pendiente y no importa que sean algo permeables.
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
http://www.sagarpa.gob.mx/desarrolloRural/Documents/fichasCOUSSA/09%20PRESAS%20DE% 20MAMPOSTERIA.pdf La mayoría de las presas de Gran Canaria desde 1960 a 1980 son de mampostería con mortero bastardo o mortero de cal (VP, 1964), o bien, mampostería con mortero de cal o bastardo y áridos volcánicos (SPA-15, 1972).
Presa de Casblanca en Gran Canaria
3.1.2. Hormigón vibrado Las presas de hormigón vibrado son aquellas construidas con un hormigón que se compacta mediante vibración. Se comporta monolíticamente en toda la presa o en bloques verticales, como si fuera semejante a un sólido rígido. Los esfuerzos y tensiones se desarrollan con muy poca deformación por lo que son asumidos de forma interna por el propio material. El material está compuesto por áridos, conglomerantes y agua en unas proporciones o dosificaciones que le confieren las propiedades necesarias de resistencia, impermeabilidad y
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
durabilidad frente a los agentes internos y externos, además de la trabajabilidad precisa para su puesta en obra. La construcción de una presa de hormigón vibrado es mediante bloques verticales adyacentes que pueden trabajar de forma independiente como en las presas de hormigón vibrado por gravedad o bien de forma conjunta aprovechando una directriz curva como en las presas arcogravedad o en las presas bóveda. Por tanto, en cuanto a la forma de resistir el empuje hidrostático, las presas pueden ser: De gravedad, cuando el peso de la presa es notable y sirve para, al componerse con el empuje, dar una resultante adecuada y francamente interior a la base de la presa.
Presa de Ibiur de hormigón vibrado en gravedad
Las presas de gravedad pueden ser, a su vez, macizas o aligeradas. Las segundas pretenden emplear menos material, del orden de un 30% y el aligeramiento suele consistir en huecos verticales, quedando constituida la presa por una serie de contrafuertes resistentes por su peso en los que se apoya o va unida a una pantalla que transmite a ellos el empuje del agua. Actualmente (2011) no se proyectan presas de este tipo por razones económicas debido al fuerte impacto del encofrado de la presa.
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Presa de Alcántara de hormigón vibrado con contrafuertes
En arco, utilizando una o varias directrices curvas para la presa, al objeto de transmitir el empuje al terreno en dirección e intensidad adecuadas. Las presas arco pueden tener curvatura sólo horizontal o doble curvatura, en este caso se denominan presas bóveda o cúpulas.
Presa de Tsankov-Kamak, Bulgaria, de hormigón vibrado en bóveda
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Hay un tipo mixto, llamado de bóvedas múltiples, constituido por una serie de contrafuertes que resisten por gravedad el empuje hidrostático que les transmiten unas bóvedas en contacto directo con el agua.
Presa de Fumadinha de hormigón vibrado con bóvedas múltiples
También hay un tipo intermedio entre las presas arco y de gravedad que se llama arcogravedad. En éste, la acción de la curvatura es insuficiente para resistir el empuje y hay que dar a la presa un cierto peso para que compense ese defecto.
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Presa de Casasola en hormigón vibrado de Arco-Gravedad
El material de construcción de estas presas es hormigón vibrado con unas características específicas para lograr los objetivos de resistencia e impermeabilidad previstos. Además debe de ser un hormigón de baja retracción ya que se va a colocar en grandes cantidades, con lo cual tendremos que emplear conglomerantes con bajo calor de hidratación conjunto. También debemos dotar al hormigón con una suficiente manejabilidad para facilitar su puesta en obra. Para conseguir estos requisitos, los materiales a emplear serán los siguientes: Conglomerantes Cementos. Se puede emplear como conglomerante único un cemento de bajo calor de hidratación como serían los de tipo III con escoria de alto hormo, o mejor aún los tipo IV con puzolana o ceniza, o los tipo V con escoria y ceniza. En otro caso optaremos por un conglomerante mixto formado por cemento tipo I o II más otro conglomerante como las cenizas o puzolanas. Cenizas y otros materiales puzolánicos. El empleo de cenizas volantes, subproducto de las Centrales Termoeléctricas, como sustitución de parte del cemento Portland en los hormigones vibrados para presas, se remonta a los años 50 del siglo XX y a partir de los setenta estas adiciones han ido aumentando paulatinamente hasta alcanzar en la actualidad cantidades significativas y con
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
uso muy generalizado fundamentalmente en los países industrializados. En otros países esta sustitución se realiza con puzolanas naturales, escorias de alto horno, arcillas calcinadas, surki, etc. Áridos Árido grueso. El tamaño máximo del árido puede llegar a ser de 150 mm, siendo habitual que se consideren valores de TMA o MSA superiores a 80 mm Se considera árido grueso a los tamaños superiores a 5 o 6 mm según sea el corte que hayamos dispuesto en las arenas. En las presas se suelen considerar de 3 a 5 cortes en los tamaños del árido grueso. Árido fino. Denominamos árido fino a la fracción inferior a 5 ó 6 mm Lo constituyen las arenas y los finos que son aquellos materiales que quedan retenidos en el tamiz 200 de la ASTM. Se limita el contenido de finos en las arenas de forma que no superen el 10% en peso del árido fino aunque pueden aumentar si se trata de finos calizos que hacen la labor de filler. El árido fino ha de llenar los huecos de la estructura del hormigón por lo que para un mejor manejo se suelen emplear al menos dos cortes en las arenas salvo que se mantengan dentro de un huso granulométrico con facilidad Agua La relación agua cemento habitual va desde (A/C) 0,4 a 0,6 en peso, pudiendo verse modificada en función de los áridos empleados y los aditivos. Aditivos Los aditivos empleados suelen ser aireantes y plastificantes que permitan un mejor manejo de los hormigones, y mejorar su impermeabilidad.
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DOSIFICACIONES EN LA PRESA DE ALCOLLARIN Material Tipo
Cuerpo de presa kg
´40/80
475
´20/40
471
615
Paramentos kg
Mortero de retoma kg
´5/20
509
724
´1.25/6 ´0/1.25
211 559
257 613
872 1070
CEM IV/B/V 32.5 N Agua total Pozzolith 398 NE
180 115 2.2
180 120 2.2
300 183 2.1
Ejemplo de dosificación real de presa de hormigón vibrado
Ordinariamente los hormigones de presa no se hacen trabajar a tensiones importantes, por lo que los requerimientos de resistencia no son tan elevados como los que se exigen en las otras estructuras de obra civil. Normalmente las resistencias exigidas suelen rondar los 120 a 165 kg/cm2 a los 28 días o más generalmente a 90 días. Dependiendo del tipo de encofrado que se vaya a utilizar se requerirá una resistencia a 3 días o a una semana, suficientes para poder realizar la trepa. En las presas bóveda las exigencias resistentes son más altas y se requieren hormigones con valores de 265 kg/cm2 a 28 días. Las dosificaciones de conglomerante suelen ser superiores a 170 kg/m3 y habitualmente inferiores a 220 kg/m3. Si se emplea cemento Portland puro con adición de cenizas los porcentajes habituales rondan sobre el 50% al 70% de cemento y del 30% al 50% de ceniza volante tipo F, silico-aluminosa. En la construcción se emplean bloques que se realizan por tongadas de 2 m de altura (de 1,50 a 2,50 m) en 4 subtongadas de 50 cm. Los bloques suelen ir divididos por medio de juntas transversales cada 15 m (de 15 a 18 m). También se emplean juntas longitudinales cuando la capacidad de la planta no es capaz de seguir el ritmo de ejecución previsto. El calor de hidratación del cemento provoca un considerable aumento de temperatura del hormigón, que después se reduce hasta la ambiental, provocando la retracción. Por este motivo, se
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crean las juntas transversales de retracción, que permiten liberar las tensiones de tracción creadas y la consecuente fisuración de la estructura. De esta manera, la presa queda dividida en bloques separados por juntas, impermeabilizadas con una o varias bandas de PVC. Como orden de magnitud, este incremento térmico puede ser de unos 15 grados, empleando cemento de bajo calor de hidratación. La temperatura máxima admisible del hormigón en el interior del bloque para evitar este tipo de problemas se suele prescribir entre 35ºC y 40 ºC, con lo cual durante el verano suele ser necesario en algunas zonas el empleo de técnicas de refrigeración del hormigón fresco. Sabías que… Técnicas de enfriamiento del hormigón fresco y endurecido: Controlar las temperaturas de cementos y cenizas . Enfriamiento del agua de amasado. Enfriamiento de áridos, especialmente de los áridos gruesos . Empleo de hielo en sustitución del agua de amasado . Empleo de serpentines de agua fría en el fondo de las tongadas . Empleo de Nitrógeno líquido para el enfriamiento de la masa . Las técnicas relacionadas se suelen emplear de forma combinada. Son efectivas las de enfriamiento de árido grueso aunque requieren gran espacio de inst alación, y especialmente reductoras de calor las de escamas de hielo (reducciones de hasta 8 ºC en el hormigón fraguado) o las de empleo de nitrógeno aunque no se tienen registradas experiencias cercanas. Como mínimo las precauciones a tener en cuenta ser án regar los áridos, evitar su soleamiento y hormigonar durante las horas más frescas del día.
En cuanto a los áridos, debe cuidarse su granulometría, en especial de la fracción básica para rellenar huecos y conferir impermeabilidad. Si no existen suficientes finos, los huecos deben ser
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
ocupados por conglomerante. Su naturaleza debe ser granular y debe controlarse el contenido de humedad, que debe deducirse de las necesidades de agua de amasado. La impermeabilidad se logra con una granulometría adecuada y con poco contenido en agua. El mejor hormigón es aquél que emplea menor contenido de agua (> impermeabilidad), áridos mejor graduados y menor contenido en conglomerante (< menor retracción), cumpliendo los requerimientos de resistencia y docilidad. Se debe estudiar la dosificación del hormigón a tres niveles: formulaciones teóricas, ensayos de laboratorio y ensayos de campo o losas de ensayo donde, además, se establezca el sistema de puesta en obra y se ausculten los calores de hidratación y el tratamiento entre capas de hormigonado.
EJEMPLO Sobre reducción del calor de hidratación: En el primer cuadro se trata de una dosificación solo con agua, con alternativas de enfriamiento de áridos y agua, y en el segundo cuadro se ha sustituido toda el agua por hielo.
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
INCREMENTO DE TEMPERATURA DE LOS HORMIGONES (para tanteo) TIPO HV CEMENTO I-42,5
Arido grueso Arido fino CEMENTO CENIZAS AGUA HIELO ADITIVO
Peso Kg 1300 700 120 80 110 0 0.86
Calor específico Kcal/Kg ºC 0.22 0.22 0.22 0.22 1 1 0 Total
Calor absorbido Kcal/ºC 286 154 26.4 17.6 110 0 0 594
Calor de hidratación Kcal/Kg ºC
Arido grueso Arido fino CEMENTO CENIZAS AGUA HIELO ADITIVO
Peso Kg 1300 700 120 80 110 0 0.86
Calor liberado Kcal/ºC 0 0 10560 200 0 0 0 10760
Tiempo de transporte (h) Coeficiente de transporte Temperatura ambiente ºC
0.75 0.2 35
alternativas temperatura temperatura temperatura temperatura temperatura temperatura ºC ºC ºC ºC ºC ºC 30 30 10 30 10 10 30 30 30 30 30 30 60 60 60 40 60 40 40 40 40 40 40 40 22 4 22 4 4 4 20
20
20
20
20
20
Temperatura Hormigón fresco ºC Incremento de temperatura por transporte Incremento de temperatura ºC por hidratación
30.2 0.7 18.11
26.8 1.2 18.11
20.5 2.2 18.11
26.0 1.4 18.11
17.2 2.7 18.11
16.3 2.8 18.11
Temperatura final
49.02
46.18
40.83
45.43
38.00
37.24
88 2.5 0 0 0 Total
INCREMENTO DE TEMPERATURA DE LOS HORMIGONES (para tanteo) TIPO HV CEMENTO I-42,5
Arido grueso Arido fino CEMENTO CENIZAS AGUA HIELO ADITIVO
Peso Kg 1300 700 120 80 0 110 0.86
Calor específico Kcal/Kg ºC 0.22 0.22 0.22 0.22 1 1 0 Total
Calor absorbido Kcal/ºC 286 154 26.4 17.6 0 110 0 594
Peso Kg 1300 700 120 80 0 110 0.86
Calor de hidratación Kcal/Kg ºC
Arido grueso Arido fino CEMENTO CENIZAS AGUA HIELO ADITIVO
Calor liberado Kcal/ºC 0 0 10560 200 0 0 0 10760
Tiempo de transporte (h) Coeficiente de transporte Temperatura ambiente ºC
0.75 0.2 35
alternativas temperatura temperatura temperatura temperatura temperatura temperatura ºC ºC ºC ºC ºC ºC 30 30 10 30 10 10 30 30 30 30 30 30 60 60 60 40 60 40 40 40 40 40 40 40 22 4 22 4 4 4 20
20
20
20
20
20
Temperatura Hormigón fresco ºC Incremento de temperatura por transporte Incremento de temperatura ºC por hidratación
11.3 3.6 18.11
11.3 3.6 18.11
1.7 5.0 18.11
10.4 3.7 18.11
1.7 5.0 18.11
0.8 5.1 18.11
Temperatura final
32.96
32.96
24.77
32.20
24.77
24.02
88 2.5 0 0 0 Total
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
En cuanto a la consistencia: en presas de HV, se emplea cono 0-1. La adición de cenizas se justifica en obtener un tiempo de fraguado mayor y un calor de fraguado inferior. Los tiempos de comienzo de fraguado obtenidos son del orden de 2,5 h. en HV. El sistema para lograr la compactación del hormigón es mediante vibración interna de la masa mediante elementos de vibrado normalmente incorporados a una retroexcavadora o un bulldozer.
Retroexcavadora equipada de vibradores para la compactación del hormigón de presas
La colocación del hormigón vibrado se limita mediante encofrados, normalmente de tipología trepante como los mostrados en el croquis adjunto.
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
Para el reparto del hormigón vibrado se emplean dispositivos e instalaciones como los siguientes para la producción de hormigón, transporte a obra y distribución, colocación y compactación: Elementos de producción -
Planta de áridos
-
Planta de hormigón
-
Ensilado de áridos, cemento y cenizas
-
Planta de escamas de hielo
-
Acopios de encofrados
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
Planta de hormigón
Elementos de distribución del hormigón -
Silobuses
-
Hydroculis
-
Camiones convencionales
-
Camiones cinta
-
Grúas
-
Blondines
Elementos de colocación y compactación -
Bulldozers
-
Palas cargadoras
-
Retros con vibradores
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
Vista de un tajo de presa de hormigón vibrado
3.1.3. Hormigón compactado Conocemos como “hormigón compactado con rodillo”, el hormigón de consistencia seca, asiento cero, que permite ser colocado y compactado con la maquinaria usada en el movimiento de tierras. Este hormigón busca la rapidez y economía en la construcción de presas. Busca rendimientos de colocación de presas de tierra y material compacto como el hormigón. Terminado su proceso de endurecimiento, sus características son las comúnmente exigidas al hormigón en masa convencional. Sabías que… La primera presa construida en R.C.C. (R.C.D.) fue la japonesa de Shimajigawa en 1.981, y la primera presa construida en Europa fue la española de Erizana en 1.984, seguida de Castilblanco en 1.985.
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
España, con gran tradición en la construcción de presas, mostró desde siempre una preferencia por las del tipo de fábrica. Si a estas preferencias se une la destrucción por desbordamiento en 1982 de la presa de Tous no es de extrañar que sus técnicos se sumen con interés a la tecnología del hormigón compactado con rodillo que se desarrolla en U.S.A. (R.C.C.) y Japón (R.C.D.) (para nosotros HCR), que además de buscar la economía y rapidez de la construcción emplea un material resistente a la erosión por sobrevertido. La compactación del hormigón se realiza con un rodillo liso dotado de vibración que le transfiere una gran energía, capaz de hacer subir la pasta (agua, conglomerante y finos) y densificar la mezcla. El Rodillo dispone de vibración aunque en la compactación no utiliza la vibración en las pasadas iniciales y finales. La altura de las tongadas más habitual es de 30 cm, siendo el encofrado de mayor sencillez que en el caso de las presas de hormigón vibrado. El paramento de aguas arriba suele tener talud vertical para facilitar la ejecución, o bien escalonado. El talud de aguas abajo es comúnmente escalonado aunque hay algunas presas que lo han mantenido liso. Este talud de aguas abajo escalonado se ha empleado también en la formación de los vertidos de los aliviaderos, lo cual ha sido ensayado por numerosos laboratorios y en las obras en que se ha realizado, comprobándose que existe una gran disipación adicional en este tipo de aliviaderos escalonados que permite una reducción de los elementos de disipación, normalmente cuencos de resalto.
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
Presa de Los Canchales de Hormigón compactado con rodillo
Hoy día se advierten ciertas tendencias de las presas R.C.C. que podemos dividir en tres grupos: -
presas de bajo contenido en pasta (hormigón magro): las que tienen una cantidad de conglomerado < 100 kg/m3
-
presas de contenido medio en pasta; cantidad de conglomerante entre 100 kg/m 3 y 150 kg/m3 .
-
presas de alto contenido en pasta; contenido de conglomerante > 150 kg/m3
Un grupo aparte lo formarían las presas japonesas R.C.D. (“presas de hormigón con rodillo”), cuyas mayores diferencias son la mayor energía del compactador que permite espesores de tongada de 75 a 100 cm. compactado de una vez y juntas cortadas cada 15 m. Todas las presas construidas en España son de alto contenido en pasta y destacan en el mundo por ser este contenido superior a los 200 kg/m3. Salvo en China donde se han construido presas de hormigón compactado en arco-gravedad, hoy en día (2011) no se tienen referencias de obras de importancia donde se haya considerado la
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
posibilidad de hacer funcionar la presa como arco, debido a que la naturaleza del material y el proceso constructivo dificultarían mucho la necesaria inyección de juntas que, como veremos más adelante es totalmente necesaria para garantizar el funcionamiento en arco de la estructura. En México se está construyendo (2011) la Presa de Zapotillo de HCR y planta curva pero perfil de gravedad, sin juntas inyectadas. Hay alguna más que se ha construido de esta manera. En cuanto al material base, es hormigón como en el caso de las presas de hormigón vibrado, si bien tiene algunas particularidades respecto a los componentes que vamos a comentar: Conglomerantes Cementos. Igual que en caso anterior se puede emplear como conglomerante único un cemento de bajo calor de hidratación como serían los de tipo III con escoria de alto hormo, o mejor aún los tipo IV con puzolana o ceniza, o los tipo V con escoria y ceniza. En otro caso optaremos por un conglomerante mixto formado por cemento tipo I o II más otro conglomerante como las cenizas o puzolanas. Cenizas y otros materiales puzolánicos. En este caso el uso de las cenizas o material puzolánico en el conglomerante es absolutamente fundamental ya que en el proceso de construcción se tiende a la ejecución de toda la sección horizontal de la presa y se necesita que la mezcla sea muy fría y que tarde en fraguar. Las cenizas o puzolanas suelen suponer más del 60% del conglomerante total. Áridos Árido grueso. En la tendencia actual se considera que el tamaño máximo del árido TMA o MSA debe estar entre 50 ó 60 mm según sea rodado o de machaqueo. Esta limitación es para evitar la segregación en su colocación y transporte, así como la mejora en la trabajabilidad aunque se pierda resistencia. Las primeras presas de HCR empleaban áridos de TMA de 80 o 100 mm, incluso de 120 mm, pero hoy en día la técnica requiere tamaños inferiores.
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
Árido fino. Se requiere en estas presas un porcentaje de arena de al menos un 32% a un 35% lo que va a permitir que la pasta refluya a superficie y mejore la conexión entre tongadas. Los finos (tamiz 200) si son calcáreos pueden llegar a ser el 12% de la arena en peso. Agua La relación agua cemento (A/C) habitual es inferior 0,6 en peso, yéndose a limites inferiores en función de los aditivos. Aditivos Los aditivos empleados suelen ser plastificantes, retardadores de fraguado y reductores de agua que permitan un mejor manejo de los hormigones, y procurar un buen pegado entre capas o tongadas. En España los áridos usados en el HCRde presas han sido prácticamente de idéntica calidad que los empleados en el hormigón convencional. De machaqueo o de depósitos naturales, de origen calcáreo o silicio, se utilizan indistintamente, dependiendo de su coste. El tamaño máximo del árido (TMA) ha sido de 80 mm, únicamente superado en Erizana y Sta. Eugenia que fue de 100 mm Cuando el paramento de aguas arriba se ha confeccionado con HCR el árido de 80 mm se ha rebajado a 40 mm y el de 100 mm a 70 mm. En el HCR español las ventajas de utilizar áridos de mayor tamaño (mayor resistencia, menor retracción, menor cantidad de agua y pasta), han quedado supeditadas al interés de evitar la segregación. Actualmente la tendencia es a emplear TMA de 50 o 60 mm. La ceniza usada debe ser, si es posible la tipo F, sílico-aluminosas, las tipo B tienen excesiva cantidad de CaO y suben más el calor de hidratación. En el HCR las mezclas deben ser objeto de un proyecto. No vale cumplir las especificaciones de un Pliego de Prescripciones Técnicas, que generalmente se limita a exigir unas resistencias a compresión y a tracción. Existen diversas tecnologías para determinar las dosificaciones de los
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
componentes del hormigón. Todos estos métodos se agrupan en los que se basan en la tecnología del hormigón, y aquellos otros que se apoyan en la tecnología de los suelos. En el primero todo gira en la “consistencia” del material que se mide y se determina con el “consistómetro Vebe”. En el segundo se apoya en el ensayo Próctor Modificado. En España, con gran generalidad, se ha empleado la tecnología del hormigón. Para reflexionar La técnica en esencia consiste en diseñar una pasta -cemento, adiciones activas, finos y agua- cuyo volumen exceda del volumen de huecos del esqueleto formado por el árido total. El exceso refluye a la superfi cie y contribuye a mejorar la unión entre tongadas sucesivas,
Las instalaciones son similares a las de fabricación del hormigón vibrado si bien los sistemas de puesta en obra son diferentes ya que vamos a trabajar en capas horizontales en vez de construir en vertical. La fabricación del hormigón se ha realizado en plantas-torres con varias hormigoneras o amasadoras, con una capacidad tal que haga posible la colocación continua aunque la fabricación no lo sea. Las únicas presas con amasado continuo han sido las de Castilblanco y Rialb. Los camiones convencionales con neumáticos y las cintas transportadoras de alta velocidad y sus combinaciones han sido, en las presas españolas, los únicos medios de transporte de la mezcla desde la planta de fabricación hasta el tajo de colocación. Si el transporte se hace utilizando únicamente camiones, es difícil y costoso el encaje de los accesos a distintas cotas si el terreno es muy abrupto; en estos casos los accesos deben hacerse por aguas arriba para que no afecten a la estabilidad de los estribos ni causen daños en el paisaje. En las zonas altas de la presa el tránsito de los camiones de transporte están obligados a maniobras y giros cerrados que pueden dañar el hormigón recién colocado. Si las laderas son accesibles con facilidad, es una opción a estudiar.
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
La colocación del hormigón mayoritariamente con cintas transportadoras y distribuidores es el procedimiento que menos afecta a la calidad de la mezcla ya colocada. Las cintas de alta velocidad, a pesar de su coste, son muy interesantes para las presas de grandes dimensiones, y también en el caso de laderas muy escarpadas, con el inconveniente, sobre los camiones, de que una rotura en la cinta paraliza todo el proceso de la obra hasta que sea sustituida.
Disposición de cintas en la ejecución de presas de HCR
Una vez vertida la mezcla en el tajo -bien con cintas o camiones- en pequeños montones, es extendida inmediatamente por bulldozer en franjas longitudinales paralelas al eje de la presa. En muy pocas ocasiones se ha utilizado la máquina niveladora. La extensión de la masa junto a toda clase de paramentos son las zonas más propensas a la segregación, por lo que requieren mayor atención y la presencia de algún operario para su corrección manual. La compactación del hormigón se hace siempre con rodillos lisos vibrantes tandem de 10 a 16 toneladas autopropulsados. Otras unidades ligeras de unas 3 ts. o bandejas y pisones neumáticos se utilizan junto a paramentos exteriores y contactos con galerías y conductos. Para un espesor de tongada normal (30 cm.) el número de pasadas del compactador suele ser de 5 o 6, ida y vuelta, la primera y última sin vibración y el resto con ella.
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
Como hemos indicado anteriormente, es habitual que el paramento de aguas arriba de una presa sea liso y que el de aguas abajo sea escalonado. Las primeras presas españolas se han encofrado con paneles trepantes convencionales, actualmente se emplean encofrados pivotantes que son más rápidos de motar y permiten evitar la junta fría que requiere el final de la tongada de un encofrado trepante. También se han empleado bordilladoras (paver machine) tanto en el paramento de aguas arriba como aguas abajo de la presa. La impermeabilidad de las presas de HCR se ha confiado al propio cuerpo de la presa y más bien a su zona de aguas arriba o mediante la colocación de un elemento impermeable a modo de pantalla, empleándose distintas técnicas: Una franja de hormigón vibrado tradicional de un espesor mínimo (1,5 m) lo suficiente para poder ser colocado y embeber las bandas “water-stop” H.C.R., aunque de dos tipos H.C.R.-1 y H.C.R.-2. El primero se coloca en el paramento de aguas arriba en una franja de anchura mínima de 3 m. pero creciente según la carga. Este hormigón, de mayor calidad, tiene un TMA más pequeño para reducir o evitar la segregación; esta medida va acompañada de una pasta más rica en conglomerante. Incorporación de mortero o lechada (GEVR) en el HCR junto al paramento, de modo que sea posible el vibrado de la zona del paramento de aguas arriba. Utilizando una geomembrana. CARPI es la casa especializada que comercializa un material derivado del PVC plastificado pero rectificado para poder trabajar a intemperie.
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
Las juntas verticales de contracción vienen fijadas por consideraciones térmicas, principalmente. La importancia de un estudio térmico es obvia para determinar su distanciamiento y la conveniencia de la refrigeración del hormigón. Las juntas se materializan con encofrados convencionales o con inductores. En un principio todas las juntas eran encofradas de este tipo y se distanciaban de 40 a 60 m. Estos bloques permitían la colocación de los encofrados de paramento en uno de ellos, mientras se hormigonaba en otro. Su inconveniente era la paso de las máquinas de un bloque a otro venciendo la diferencia de altura del encofrado, que se ha resuelto de muy diversas formas.
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
Posteriormente los bloques se han hecho más largos o se ha hormigonado de modo continuo de ladera a ladera, dependiendo ello de la producción de las instalaciones, y de las temperaturas. En ambos, la junta se realiza hincada insertando un inductor de plástico o chapa galvanizada, una vez terminada la tongada y, por tanto, el extendido no se interrumpe. En general cualquier tipo de junta transversal se impermeabiliza con doble banda de P.V.C colocada en el interior. Entre las dos bandas se deja un conducto moldeado en la junta que se conecta con la galería de inspección que sirve de drenaje. Actualmente se considera que dadas las dificultades que tiene el correcto funcionamiento de estas bandas colocadas en el exterior, puede considerarse la posibilidad de emplear bandas exteriores con material similar al PVC modificado de CARPI. Los puntos débiles de una presa de HCR son las juntas horizontales ya que su disposición, cada 0,30 m hace que para una presa de 100 m de altura tengamos 300 juntas y la probabilidad de que falle alguna es patente. El tratamiento superficial de las tongadas es el punto de discusión a la hora de determinar si una junta no necesita tratamiento “junta caliente” o si lo necesita para poder obtener un buen pegado entre tongadas, serían las “juntas frías”. Existen criterios para determinar si una junta puede considerarse como fría o caliente. Uno de ellos es el Factor de Madurez, definido como el producto de las temperaturas medias horarias, medidas en la superficie de la tongada en grados centígrados, por el tiempo transcurrido para que una tongada quede cubierta por la inmediata superior en horas. Cada presa es un prototipo y tiene un F.M propio y variable en el tiempo según las condiciones ambientales de temperatura y estado higroscópico. Debe ser la experimentación, obtenida en la losa de ensayo, la que nos proporcionará un F.M. que se aplicará como un control práctico del proceso constructivo. FM = T (h) x t (º C) Este factor puede variar en la realidad entre cifras del orden de 80 y 600, lo que indica su falta de representatividad. Esta técnica parece más apropiada para las dosificaciones pobres en pasta (<
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
120 - 150 kgs. de conglomerantes) y va acompañada de la obligación de usar mortero en los casos de juntas frías (tiempo entre tongadas superior al marcado). En España se ha usado con tiempos máximos exigidos entre tongadas entre 6 y 9 horas, aunque se ha llegado a 16 horas en Puebla de Cazalla, debido al uso de retardador de fraguado. Hoy en día las tendencias están sobre 12 a 18 h de tiempo de recubrimiento entre tongadas para poder considerar una junta caliente sin problemas, añadiendo retardador de fraguado. En las juntas calientes no se necesita ningún tratamiento, si exceptuamos su limpieza y mantener húmeda la superficie, por aspersión o lluvia muy fina. Las juntas frías tienen un tratamiento igual que para los hormigones tradicionales (limpieza con chorro de aire y agua a presión, limpieza con barredora y aspiración; y siempre se ha colocado una delgada capa de mortero. Hay quien discute la necesidad de la capa de mortero, si el hormigón es rico en pasta, lo que se ha podido comprobar en algunas presas de hormigón vibrado pero es más discutible en presas de HCR. Si el hormigón no llevara aditivos el tiempo de recubrimiento apenas llegaría a las 4 ó 6 horas para junta caliente y llevaría a desechar este tipo de sistema de ejecución sobre todo si disponemos de una cerrada amplia ya que no sería económico disponer de plantas de capacidad suficiente y llevaría a colocar mortero cada tongada de 30 cm, lo cual sería inviable. A estas conclusiones se llegó en la jornada organizada por el SEPREM el 30 de marzo de 2011.
Sabías que… Con dosificaciones más ricas (> 200 kgs) se va ha ido a 24 h. (Upper Stillwater, New Victoria) y con el siguiente tratamiento de juntas, recomendado por algunos expertos:
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
Junta de menos de 24 horas: “junta caliente”. No requiere tratamiento alguno, si la superficie no ha sido dañada. Retirar simplemente el agua y los detritus mediante el camión de vacío. Junta de entre 24 y 48 horas (con climatología favorable hasta 72 horas): “junta preparada”. Basta raspar con cepillo de alambre de acero la superficie y retirar el detritus (camión de vacío). Junta de más de 72 horas (con climatología desfavorable 48 horas): “junta fría”. Chorro de arena y agua a presión. Misma terminación que en el caso anterior. En cualquier caso, no es fácil que se admit a un tiempo de recubrimiento superior a 18 h.
Existen ciertas zonas donde no es posible colocar directamente el HCR. Estas están junto a taludes muy escarpados (más de 0,5:1 (H:V) y en taludes muy planos. En la ejecución con encofrados, se ha encontrado que los rodillos vibratorios no son capaces de compactar el HCR justamente contra los paramentos inclinados. Por tanto se debe colocar una tongada de hormigón vibrado por inmersión (del mismo espesor que la tongada de HCR y con un ancho de entre 30 y 45 cm.) contra la ladera, justamente antes del HCR. Lo último es compactar con rodillo contra el hormigón vibrado por inmersión.
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35'=10 m
Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
SECCION 2ª FASE (HORMIGON CONVENCIONAL)
2ª TONGADA ROCA 1ª TONGADA
0.60 m 1ª FASE
1.00 m
PLANTA HORMIGON CONVENCIONAL CASO DE BORDILLO DE PARAMENTO A. ARRIBA
ROCA R.C.C.
Antes de iniciarse la colocación del hormigón en la presa debe realizarse, a tamaño real, la losa de ensayo; en ella se corrigen y se optimizan los datos obtenidos de los ensayos de laboratorio y aquellos otros que imponga el Pliego de Condiciones Técnicas del Proyecto. En la losa se ensayará las condiciones de la puesta en obra del HCR: paramentos, espesor de tongadas, segregación, tratamiento de juntas entre tongadas y de construcción. Servirá a su vez para que el personal de obra adquiera experiencia. Las dimensiones de la losa han de ser generosas y no menos de 10 tongadas de altura.
4. Presas de materiales sueltos Las presas de materiales sueltos como su nombre indica, son las que se construyen con elementos sin cohesión, o si la tienen ésta es muy reducida comparada con la de otros tipos de presa. Entre los primeros materiales estás las arenas, gravas, trozos de roca y algunas tierras; entre los segundos están los limos, las arcillas y mezclas de alguno de ellos. La Instrucción de Presas las define como aquéllas cuyos elementos no estén ligados entre sí por conglomerantes hidráulicos.
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
Son presas de gran volumen que serían inviables si no existieran materiales suficientes en calidad y cantidad en el entorno cercano de la Obra. Aún así casi siempre es necesario el aporte de material específico como suele suceder con el material filtro en presa de materiales sueltos con núcleo impermeable.
Presa de Giribaile de materiales sueltos
Las funciones que tienen que cumplir estas presas son su resistencia, su estabilidad y su impermeabilidad. Cada una de ellas se satisface con las características y la colocación adecuada del material natural. Son presas sencillas cuyos componentes tienen un mínimo procesamiento o elaboración. Existe una gran variedad de tipologías en las que el elemento impermeable se confiere a toda la masa, a un núcleo interior o a una pantalla exterior. Las presas de materiales sueltos son las más antiguas y numerosas. En este tipo están las más altas de las construidas; la presa rusa de NUREK de escollera con núcleo es con sus 305 m la más alta del mundo; de escollera con pantalla de hormigón está AGUAMILPA en México con 190 m Dentro de nuestro territorio la mayor presa de materiales sueltos es CANALES con 156 m
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La Clasificación que establece nuestra Instrucción para el Proyecto, Construcción y Explotación de Grandes Presas (1967) es: -
Presas homogéneas
-
Presas de diafragma
-
Presas heterogéneas o zonificadas
-
Presas de relleno hidráulico
La Instrucción en el artículo 50, define los distintos tipos principales: 50.3.- Llamaremos "presas homogéneas" a las presas 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. 50.4.- Llamaremos "presas de diafragma impermeable" a aquéllas 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, aun 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. 50.5.- Llamaremos "presas heterogéneas" a las 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.
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
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. 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. 50.6.- En las "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.
Sabías que… En la construcción de presas apenas se emplea actualmente el relleno hidráulico, sin embargo sigue siendo utilizado en la formación de muelles de obras marítimas con material directamente aportado del dragado. En ocasiones, el relleno hidráulico se emplea t an 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.
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
Otras veces, el transporte hidráulico y la sedi mentación 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.
4.1.1. Homogéneas Son las construidas con tierras apisonadas preferentemente de una sola calidad. Este material ha de cumplir a la vez las funciones de estabilidad e impermeabilidad. No las desclasifica el hecho de que en su interior se coloque otro material, normalmente granular Se diseñan con algún dispositivo de filtro-dren para abatir la línea de saturación, evitando que intercepte el paramento de aguas abajo y se produzca una erosión remontante. El elemento más eficaz en estas presas se denomina dren-chimenea que realiza las funciones de filtro y dren tanto en el cuerpo de presa en vertical como en el fondo de la presa para evitar la incorporación de agua y finos desde la propia cimentación. En su construcción, sobre todo si se quiere aplicar un ritmo fuerte de elevación de la presa, se suelen intercalar capas de materiales drenantes para que el material arcilloso incorporado disipe las presiones intersticiales con cierta rapidez y no se mantengan altas presiones piezométricas en el interior de la masa de los espaldones. En sus paramentos de aguas abajo se suelen colocar protecciones de riprap, tepes o plantas autóctonas. Aguas arriba se suele colocar una escollera o un riprap que mejore las condiciones de estabilidad de la presa en caso de desembalse rápido. Esta capa exterior aguas arriba permite reducir algo el talud.
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
Presa de Valdemudarra, homogénea con dren chimenea.
En cualquier caso, este tipo de presas se reconocen fácilmente por sus taludes muy tendidos que suelen sumar entre aguas arriba y aguas abajo t1 +t2 >5. En España estas presas son de mediana a pequeña altura, inferiores generalmente a 25 m o 30 m Los materiales empleados suelen ser margas de cierta impermeabilidad, presentes en el entorno cercano de la cerrada.
Presa de Treviño de materiales sueltos homogénea
Hay algunas presas importantes propiedad del Estado o de las Comunidades Autónomas: Sotonera, Rambla de Algeciras, La Pedrera, Charco Redondo y Uzquiza; las cuatro últimas tienen alturas superiores a los 50 m
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
4.1.2. Con núcleo impermeable Denominamos núcleos a los diafragmas colocados en el interior del cuerpo de la presa y que constituyen el elemento impermeable de la presa. Núcleo arcilloso Son el tipo de presas de materiales sueltos que hoy día alcanza mayor aceptación. En ellas se han conseguido las mayores alturas. En España hay cuatro realizaciones que superan los 100 m de altura y con volúmenes de material de varios millones de m3.
Presa
Altura (m)
Volumen de material
Canales
156
7,25x106 m3
Tous
135
8,10x106 m3
Cuevas de Almanzora
120
7,18x106 m3
Arenós
107
3,4x106 m3
Tabla de las presas españolas de materiales sueltos de más de 100 m de altura
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
Presa de Canales
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
ALTURA (m)
PRESA
AÑO
PAÍS
235*
OROVILLE
1968
USA
235
CHIVOR-ESMERALDA
1975
Colombia
MICA
1973
Canadá
256
GUAVIO
1989
Colombia
261
CHICOASEN
1981
México
THERI
Const-
India
NUREK
1980
Rusia
RAGUN
Paralizada
Rusia
245
*
261 305
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Tabla de las presas más importantes de materiales sueltos con núcleo de arcilla a nivel mundial. Son de escollera con núcleo, excepto las marcadas con * que son presas con espaldones de grava.
En estas presas las funciones señaladas de impermeabilidad y de resistencia son atendidas respectivamente por el núcleo interior y por los espaldones que le rodean. Los materiales del núcleo pueden ser arcillas, arcillas limosas, limos arcillosos o rañas pliocenas. Su permeabilidad aumenta en el orden expuesto, y dependiendo de ella así será la anchura del núcleo. En las primeras presas se procuraba colocar arcillas muy plásticas, C.H. en la Carta de Casagrande. Posteriormente se vio que tenían mejor comportamiento arcillas de menor plasticidad (C.L.) u otros materiales con mayor resistencia al corte y mayor facilidad en su compactación. Las rañas u otros materiales más o menos rodados requieren un contenido de finos (inferiores a 80 ) superior al 15% en peso y uniformemente distribuido en su masa para que puedan considerarse como material impermeable. La presa de Uzquiza en el río Arlanzón es un ejemplo de utilización de material procedente de rañas. Material de morrena para núcleo se emplea mucho en los países nórdicos de Europa.
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
Sección tipo Presa de Guadalcacín II de materiales sueltos con núcleo de arcillas
Dependiendo de su composición mineralógica o del contenido de sales, puede distribuirse el material dentro de la masa del núcleo; así, en la presa de Barbate, donde las arcillas eran muy expansivas, se colocaron en el interior para ser protegidas por las de menor expansividad situadas en el exterior. En cuanto al Espesor del núcleo, se considera que un núcleo es delgado cuando la anchura no supera en cada punto el 20% de la carga de agua; del 20 al 40% el núcleo se considera normal y anchuras superiores al 50% son núcleos gruesos. En general según la anchura podrán emplearse materiales más o menos impermeables o plásticos. Los núcleos estrechos requieren un material más plástico. La compactación de estos núcleos arcillosos se realiza mediante rodillos con “pata de cabra” que demenuzan, trituran y extraen el aire de las capas de arcilla para lograr su compactación. En cuanto a la situación del núcleo en la sección de la presa se emplean las disposiciones siguientes: núcleo vertical en el centro, núcleo inclinado hacia aguas arriba o núcleo próximo al paramento de aguas arriba.
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Presa de Arenós de materiales sueltos con núcleo inclinado.1Espaldón de escollera, 2 Núcleo impermeable de arcilla, 3 Material de derrubios procedentes de la propia excavación, 4 Escollera de protección, 5 Filtro fino, 6 Filtro grueso, 7 Terreno natural (wealdense), 8 Terreno natural (coluviones), 9 Terreno natural (jurásico).
Se emplea el núcleo inclinado, próximo al paramento de aguas arriba, en climas muy lluviosos de forma que se puede avanzar en la construcción del espaldón de aguas abajo, retrasando la colocación del núcleo a épocas más favorables. Un caso extremo de esto es la presa de Mont Cenit de 120 m de altura en la frontera de los Alpes franco-italianos y en una cota superior a los 2.000 materiales sueltosn.m; durante la mayor parte del año se vertía la escollera en alturas de 40 m, reservando los dos meses de clima más suave para la colocación del núcleo. Más lógico y racional es situar el núcleo en función de la geología del terreno, es decir, lograr un cierre estanco uniendo el núcleo a los estratos más impermeables de la cerrada. En casos de dudosa impermeabilidad del terreno puede interesas colocar el núcleo muy aguas arriba, dentro de la sección, para facilitar la unión con un posible tapiz impermeable. El núcleo vertical centrado en el eje de la presa tendrá una menor suma de taludes que el muy inclinado hacia arriba. Este último requiere un talud más tendido para hacer frente a la situación de un desembalse rápido, que no se verá generalmente, compensado con el menor del paramento de aguas abajo, en igualdad de otras condiciones de cimentación y permeabilidad del espaldón. El núcleo central con ligera inclinación hacia arriba consigue el menor volumen de presa. Para reflexionar
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
La situación del núcleo aguas arriba interesa cuando está previsto un recrecimiento. El núcleo muy inclinado experimenta una menor deformación tangencial, pero a cambio es más pequeño el nivel de tensiones, por lo que el agrietamiento se encuentra más favorecido. Esto era una práctica cuando las escolleras eran vertidas. Hoy día no se construyen. El núcleo grueso centrado es más atractivo: está más comprimido, tiene mejor contacto con el cimiento y una menor facilidad para la progresión de una fisura.
Los espaldones forman el elemento resistente de la presa. Son de material muy diverso, desde escollera de roca hasta las gravas y arenas aluviales, pasando por materiales de terrazas y rañas. Se pretende que con el material disponible el espaldón resistente sea lo más permeable posible para favorecer la estabilidad. Si no se consiguiese con el material natural cercano, siempre se podrá recurrir a la colocación de mantos drenantes con la colaboración de drenes chimenea; en la mayoría de los casos esto resultará más económico que traer el material de fuentes lejanas. El elemento que requiere de un mayor cuidado en su elaboración en estas presas de materiales sueltos con núcleo de arcillas, es el filtro, especialmente el filtro de aguas abajo del núcleo. Sherard (1987) quitaba parte de la importancia a los fenómenos de agrietamiento, dando mayor protagonismo al filtro fino de aguas abajo del núcleo, que debe diseñarse y colocarse con sumo esmero y respondiendo a especificaciones estrictas.
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Distribución de los materiales de la presa de núcleo arcilloso. Presa de Guadalcacín II
Uno de los tipos de presa más común construida en los últimos 40 años son los de escollera con núcleo central de arcillas. La disposición más general era la de colocar aguas arriba tantas capas de filtros como las colocadas aguas abajo, en número de 2 o 3 progresivamente más gruesos. La misión principal del filtro de aguas arriba era actuar como filtro de núcleo en los desembalses. Estudios más detallados y ensayos en laboratorio demuestran que esta función no es necesaria. La cantidad de agua que se filtra desde núcleo hacia el espaldón de aguas arriba, en el desembalse, es muy pequeña. Así mismo el gradiente en el flujo hacia aguas arriba es pequeño como también lo es la velocidad y energía, insuficientes para erosionar las partículas de arcilla y arrastrarles hacia aguas arriba. Se trata pues de un filtro no crítico, al que no se le exige el control de fugas localizadas. La tendencia es que estos filtros sean más económicos y se reducen a una zona de transición de roca machacada o cribada con un tamaño no mayor a los 150 mm Estos filtros, pues, no guardan ningún parecido con los criterios generales de filtro. Una disposición de los últimos años ha consistido en colocar sobre la cara aguas arriba del núcleo impermeable una zona de 2 a 4 m de filtro fino (arena) que pueda ser movida, en una filtración localizada, hacia el interior de la fisura y taponarla, fisuras que pueden formarse en la
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
parte superior de la presa por causas tales como asientos diferenciales o sacudidas sísmicas. Para ello la arena debe ser limpia para que no tenga cohesión, y su tamaño máximo no sea superior a 1 mm Hoy día esta disposición es muy discutida y además este filtro de relleno de fisura puede resultar contraproducente impidiendo el autosellado de la grieta por reblandecimiento y colapso o por hinchamiento de los bordes de las fisuras. Núcleo asfáltico No siempre disponemos de material suficiente para núcleo impermeable en las inmediaciones de la presa, lo que nos lleva a buscar una alternativa que actualmente existe y de la cual hay buenas referencias, se trata de las presas de núcleo asfáltico. El núcleo asfáltico se construye con una mezcla bituminosa y se coloca en el interior de la presa en situación centrada. Adyacente a él están las zonas de transición y exteriormente los espaldones. La construcción de estos núcleos es más reciente que la de las pantallas bituminosas y el número de sus realizaciones es inferior. Sin embargo se observa actualmente una preferencia por ellos al no quedar el material impermeable expuesto sino protegido en el interior de la presa. Avanzada la década de los años 50, fueron los alemanes, los suizos y los noruegos los primeros en construirlos. Desde entonces su evolución ha sido importante, tanto en su concepción como en su proceso constructivo, debido principalmente a la técnica alemana, en cuyo país se encuentra un alto porcentaje de las presas con núcleo asfáltico.
Sabías que… Una técnica diferente se ha empleado en un reducido número de presas construidas en Rusia en la década de los años 80. En ellas el núcleo es de hormigón bituminoso fluido, con un contenido alto en betún, 10 a 12%, superior al que se emplea normalmente, como se verá más adelante; este exceso dificulta su compactación. La
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
razón de utilizar esta técnica ha sido doble: por una parte, su cimentación en depósitos aluviales presagiaba asientos y distorsiones importantes en la presa; por otra parte el clima extremadamente frío de su zona precisa una mezcla de gran ductilidad.
Formación del núcelo asfáltico. Presa de Mora de Rubielos, la única construida actualmente en España de esta tipología en la sección completa de la presa.
Hoy día los núcleos han quedado reducidos a los de hormigón asfáltico denso, colocado y compactado con máquina. Una primera presa de este tipo se construyó en Alemania en 1968 y desde 1970 todas las grandes presas se construyen así. El núcleo se encuentra confinado entre dos zonas de transición de material granular y exteriormente están los espaldones como en cualquier presa de escollera. La correcta colocación y la interacción entre núcleo -zona de transición- espaldón es importante para el comportamiento del núcleo de hormigón asfáltico.
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Tema 1. Presas I: tipologías y características. Aliviaderos y elementos de disipación.
El espesor de un núcleo es muy reducido, de 0,50 m o algo superior. En función de la altura de la presa puede llegar a 1,20 m En presas altas este espesor suele reducirse gradualmente desde su base a su coronación, pero nunca excesivamente. Como rasgos más destacables de los núcleos asfálticos podrían señalarse: -
La construcción sin juntas.
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Aceptable resistencia a la erosión por fugas de agua o por sobrevertido.
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Construcción en toda clase de climas.
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Su grado de seguridad gracias a su deformabilidad y resistencia.
El hormigón bituminoso se comporta como un material elasto-plástico. Tiene una flexibilidad suficiente para adaptarse a las deformaciones del cuerpo de presa sin riesgo de fisuración, por lo que permanecerá impermeable, en cualquier estado de deformación. Lo primero que ha de cumplir una mezcla asfáltica es que sea manejable, es decir, trabajable y compactable. Se fabrica como una mezcla homogénea e íntima de betún, árido grueso, arena y filler cuidadosamente graduado para ser colocado y compactado en caliente, de tal forma que el contenido de huecos no sea superior al 3% de su volumen y cumpla las características que se le exijan de resistencia, plasticidad e impermeabilidad. En estas condiciones de compacidad, el coeficiente de permeabilidad será K
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