Presas Flexibles - Universidad del Cauca

67PRESAS DE MATERIALES SUELTOSLas presas de materiales sueltos son terraplenes artificiales construidos para permitir lacontención de las aguas, su almacenamiento o su regulación. Este tipo de presa fue la másutilizada en la antigüedad. En los siglos XIX y XX han tenido uso bastante difundido debido alrápido desarrollo de la técnica para trabajos con tierra y roca, y por la gran variedad deesquemas constructivos que permite utilizar prácticamente cualquier suelo que se encuentre en lazona, desde materiales de grano fino hasta suelos rocosos previamente fracturados. Además deésto, las presas de materiales sueltos tienen menos exigencias a la deformabilidad de lafundación que cualquier otro tipo de presa.En Colombia, éste es el tipo de presa más difundido entre los grandes proyectoshidroenergéticos. Algunos ejemplos son: Calima con 115 m de altura y construida en la décadade los 60; presa de Golillas (Chingaza) de 127 m y construida en los 70’s; la presa Esmeralda(Chivor) con 277 m y construida también en la década de los 70’s, presa que fue de las más altasdel mundo en su época; la presa de Salvajina con 150 m y construida en la década de los 80’s; lapresa del Guavio con una altura total de 240 m y acabada de construir en la década de los 90’s.Cualquier tipo de presa debe ofrecer condiciones de seguridad durante la construcción y en eltranscurso de su operación. Para ello, es importante que exista una buena coordinación entre eldiseño y la construcción para asegurar que se hagan las correcciones necesarias de manera quelas obras se ajusten lo mejor posible a las condiciones reales de campo.Clasificación de las Presas FlexiblesI. De acuerdo a los materiales utilizadosI.1 Presas de tierra, en las cuales el volumen principal del cuerpo de la presa se hace con suelosarcillosos, arenosos, o areno-gravillosos de grano fino.I.2 Presas de roca-tierra, en las cuales el volumen principal del cuerpo de la presa se hace desuelos de grano grueso y los elementos antifiltrantes de suelos de grano fino.I.3 Presas de enrocados, en las cuales el cuerpo principal de la presa se hace de materiales congrano grueso y los elementos antifiltrantes de materiales aglutinados (pantallas antifiltrantes).II. Según el esquema constructivo de la presaII.1 Presas homogéneas, con un solo material en contacto con el filtro.II.2 Presas heterogéneas, en las que el cuerpo se compone de dos o más clases de suelos.Las presa heterogéneas a su vez se dividen según la colocación del elemento antifiltrante, así:• Presas con núcleo vertical• Presas con núcleo inclinado• Presas con pantalla impermeable aguas arriba

68III. Según el método de ejecución de los trabajosIII.1 TerraplenadoIII.2 Relleno hidráulicoIII.3 Material arrojadoIV. Según la condición de paso de los caudales de construcción y operaciónIV.1 Presas sordas: Son aquellas en que el caudal de filtración a través del cuerpo de la presa esmínimo en comparación con los caudales que son evacuados durante la construcción y laoperación.IV.2 Presas filtrantes: Este tipo de presa puede hacerse de piedra (gaviones) sin elementosespeciales antifiltrantes, permitiendo el paso de caudales apreciables a través de su cuerpo.IV.3 Presas auto-vertedoras: Son aquellas que tienen cresta y taludes dispuestos con estructurasde descarga de agua a flujo libre para permitir el paso de caudales de construcción o deoperación.Criterios para el Diseño de Presas Flexibles1. No se debe permitir por lo general el rebosamiento por encima de la presa por lo que lasestructuras de descarga deben proyectarse para evacuar los caudales de diseño.2. Los taludes de la presa deben ser estables de manera que soporten todos los esfuerzos a queestarán sometidos durante la construcción y operación.3. Se deben emplear materiales y protecciones apropiadas para que la filtración a través delcuerpo de la presa, la fundación y los estribos sea tan pequeña como posible, y menor o igual a lapermisible.4. Uno de los factores que contribuyen a la escogencia de uno y otro tipo de presa es ladisponibilidad de materiales apropiados y en cantidad suficiente para el terraplén, y localizadosdentro de una distancia razonable para la economía de la obra.5. Los taludes y la corona de la presa deben estar convenientemente protegidos contra erosiónpor las olas, lluvia o viento y contra el agrietamiento.6. Duración de la construcción.

69PRESAS FLEXIBLES HOMOGÉNEAS Y MIXTASLas presas flexibles homogéneas y mixtas son aquellas estructuras construidas con tierra, o conuna combinación de enrocado y núcleo impermeable de materiales finos.Las dimensiones del perfil de presas flexibles no se deducen de cálculos matemáticos, sino quese determinan por los resultados dados por la experiencia de otras presas existentes y enoperación, o de otras construidas y falladas. Las dimensiones que se adopten deben ajustarse porlos requerimientos dados por los cálculos de estabilidad.La construcción del terraplén se debe iniciar tan pronto esté finalizada la operación depreparación de la fundación, se haya excavado la caja del dentellón, y se haya colocado la tuberíade conducción de la obra de toma.De ser posible se usan los materiales provenientes de las excavaciones, aunque se puede dar elcaso de que las condiciones de éstos no sean tan buenas como las obtenidas de los bancos depréstamo. Antes de excavar el material en los bancos de préstamo se deberá hacer una inspeccióncuidadosa del material disponible, una determinación de las profundidades máximas de corte, yun estudio de la zona en que se va a colocar con el fin de evitar operaciones innecesarias y el usode materiales inadecuados. Si se dispone en las fuentes de préstamo de materiales de diferentescalidades, el mejor se destinará para la zona central del núcleo.1. Cimentación de las presas· La cimentación debe proporcionar un apoyo estable para el terraplén en todas sus condicionesde carga y saturación.· Debe tener resistencia a la filtración para evitar daños por erosión y pérdidas de agua.· El área de la fundación de la presa se debe limpiar totalmente removiendo todos los árboles,malezas, raíces, piedras, tierra vegetal, basuras, materiales permeables, etc., hasta llegar a unacapa de suelo resistente y adecuada. La superficie obtenida para la fundación deberá serescarificada antes de comenzar a construir el terraplén.· El área de fundación correspondiente a cauces de arroyos deberá ser limpiada, profundizada yampliada hasta remover todas las piedras, grava, arena, y cualquier material indeseable. Lalimpieza de los cauces se efectúa profundizando de manera que los taludes de la excavación seanestables.· Cuando se encuentre roca durante la preparación de la fundación, es importante que ésta quedeperfectamente limpia removiéndose de su superficie toda costra o fragmento de roca. Para estaoperación no se podrá emplear ningún tipo de explosivos.· Es importante que se realice simultáneamente la preparación de la fundación y la excavaciónpara la tubería de toma de agua de acuerdo con las pendientes y dimensiones mínimas indicadasen planos.

70· En esta etapa de la construcción es importante tomar todas las previsiones para controlar elagua hasta que se concluya la obra.1.1 Tipos de cimentación• ·Cimentaciones en rocaEn general no presentan problemas de resistencia a la capacidad portante. El principal problemalo constituyen las filtraciones excesivas por fisuras y grietas.• Cimentaciones en limo-arcillaEl problema estriba no tanto en las filtraciones como en la estabilidad del suelo de lacimentación.· Cimentaciones saturadasEs necesario estudiar el grado de consolidación del suelo previa identificación del mismo. Elestudio es extensivo y puede resultar costoso. Algunas medidas constructivas son: reemplazar oquitar los suelos blandos, instalar sistemas de drenaje durante la construcción, suavizar lostaludes del terraplén.· Cimentaciones relativamente secasSon suelos buenos desde que la relación de vacíos sea adecuada. Si el suelo es seco y de bajadensidad pueden surgir asentamientos considerables cuando se cargue la presa y se sature elsuelo, causando la falla bien sea por asentamientos totales y disminución del borde libre de lapresa, o por asentamientos parciales que pueden partir el núcleo impermeable.Medidas constructivas a tomar son: reemplazo del suelo; delantales impermeables aguas arriba;filtro permeable aguas abajo; humedecimiento previo del suelo.• Cimentaciones en arena y gravaFrecuentemente la cimentación de presas flexibles consiste en depósitos aluviales de arena ygrava relativamente permeables. Se presentan los siguientes problemas básicos: magnitud de lasfiltraciones subterráneas, presiones producidas por las filtraciones; tubificaciones; y licuefacción.Arenas sin cohesión de baja densidad son peligrosas como fundación.Al presentarse pérdidas de agua del embalse hay que hacer la consideración sobre qué sale máscaro: si el agua que se pierde o el tratamiento antifiltrante.Todas las presas construidas sobre material permeable deben tener un dren aguas abajo.1.2 Medidas para mejorar la cimentación de las presasLos problemas de filtración se presentan generalmente aguas abajo debido a que la fuerza depresión del agua (subpresión) en un punto dado de la cimentación iguala a la presión ejercida porel peso combinado del suelo y agua por encima de él.

Para contrarrestar filtraciones, se puede usar alguno de los sistemas siguientes o combinación deellos.a) Dentellones de tierra del mismo material del núcleo impermeable de la presa.Siempre que sea posible, las filtraciones de una cimentación permeable se deben cortar con undentellón que llegue el estrato impermeable.La anchura mínima del fondo (e) varia entre 0.6 m (USBR) y 1.0 m (HIMAT, para presaspequeñas), y se puede calcular tentativamente así:e = H - de = ancho del fondo del dentellónH = carga hidráulica arriba de la superficie del terreno.d = profundidad del dentellón por debajo de la superficie del terreno.Profundidad mínima del dentellón = 0.20H.El dentellón puede tener las paredes verticales o inclinadas disminuyendo hacia abajo, ya que lasfuerzas de filtración han disminuido al hacer el agua su recorrido en sentido vertical.Es necesario controlar el agua mientras permanezca abierta la excavación para el dentellón.b) Dentellones parcialesExperimentos hechos han demostrado que un dentellón que se profundice un 50% de la distanciaen el estrato permeable reduce un 25% la filtración, y si se profundiza un 80% las filtraciones sereducen en un 50%.c) Dentellones con tablestacas de aceroSe usan ocasionalmente en combinación con un dentellón en tierra. Están limitados acimentaciones de limo, arena y grava fina pues problemas del hincado en gravas puedenesperarse al romperse o doblarse el dentellón, aparte que resultan costosos. Por las uniones sepueden presentar filtraciones por lo que su efectividad se reduce.d) Dentellones de concreto in situ (diafragmas)Se construyen bombeando o inyectando lechadas de cemento que al mezclarse con el material decimentación forman un elemento de arena y gravas unidas con cemento. Si el estratoimpermeable está a cierta profundidad se puede combinar un dentellón en tierra y un diafragma.e) InyeccionesPueden ser de cemento, asfalto, arcilla y materias químicas (silicato de sodio y cloruro de calcio)que en el suelo precipitan y forman una gel sólida.f) Colchones del lado aguas arribaSe usan generalmente cuando el manto impermeable está a una profundidad excesiva. Elcolchón se construye del mismo material impermeable de la presa. El espesor mínimorecomendado es 1.0 m. o 0.10H. El colchón se extiende hacia aguas arriba hasta que las pérdidas71

por filtración sean las consideradas para el proyecto y se debe unir con la zona impermeable de lapresa.72g) Filtros y colchones horizontales de drenajeSu objetivo es mermar la presión del agua al permitir su descarga, y evitar la tubificación. Eldiseño es de tal forma que no ocurra movimiento de las partículas de la cimentación o delterraplén hacia el filtro. Se usan sobre cimentaciones permeables relativamente homogéneascuando no hay dentellones efectivos. Se recomienda que la longitud del colchón sea 3H, evitandoel efecto de la fuerzas de filtración tratando de levantar el talón aguas abajo.DDDD15 filtro15base15 filtro85base= 5 − 40≤ 5D85 filtroA≥ 2A = abertura máxima del tuboh) Drenes al pie de la presa y zanjas de drenajeGeneralmente se combinan con los colchones horizontales de drenaje y sirven para colectar lasaguas y conducirlas a una tubo de descarga exterior.También pueden ser usados en cimentaciones impermeables para estar seguros de que cualquieragua que pueda filtrarse a través del terraplén o la cimentación sea recogida.i) Pozos de drenajeSe usan cuando hay estratos impermeables de cierto espesor sobre otros permeables. Lacimentación no necesita tratamiento antifiltrante si el espesor del estrato impermeable es mayorque γ W H. La separación mínima que se acostumbra entre pozos es de 8.0 m. y el diámetromínimo es de 6".Si las filtraciones son excesivas se puede hacer uso combinado de varios sistemas antifiltrantes.

732. Elementos constitutivosSección transversal típica de una presa de tierra. HIMAT, 1989.2.1 CuerpoEl cuerpo de la presa puede ser homogéneo o heterogéneo formado de diferentes materiales. Daestabilidad e impermeabilidad a la estructura. La Tabla N° 27 es una guía sencilla sobre lacalidad de los materiales que constituyen la fundación y el cuerpo de la presa.Tabla N° 27. Calidad de los materiales empleados en la construcción de presas homogéneasHIMAT, 1984.Clase de material Contenido deCalidad del materialarcilla% Fundación Cuerpo de la presaArcilla 40-60 Muy buena. No Buena. La superficienecesita medidas de la presa debeespeciales.revestirse con algúntipo de protección.Arcilla-arenosa 20-40 Buena. Por lo generalno necesita medidasBuena. No necesitamedidas especiales.especiales.Arena-arcillosa 10-20 Regular. Se necesitan Regular.medidas especiales Se requieren medidaspara detener la especiales parafiltración.Arena menos de 10 Mala. No se admitepara la construcción.detener la filtración.Mala. No se admitepara la construcción.

Las arcillas expansivas o sea aquellas que sufren grandes cambios de volumen con los cambiosde humedad no son apropiadas para la construcción de terraplenes debido a los permanentescambios de humedad que presentan a los largo de su vida útil. En determinadas ocasiones sepueden emplear estas arcillas siempre y cuando se les dé un tratamiento de estabilización con calo con cemento y además se revista el terraplén con una membrana impermeable (polietileno uotro similar) para mantener humedad constante. En este caso, la protección del talud se colocaexteriormente sobre la membrana.2.2 Zonas de la presa mixtaPueden ser tres o más:· Núcleo impermeable· Filtros o material de transición· Espaldones de enrocadoLas características del material que formará la presa se deben determinar en el proyecto, y llevarla obra de tal manera que se consigan tales características con el fin de lograr el coeficiente deseguridad deseado.Valores usuales del coeficiente de permeabilidad K para cada zona son:K nucleo 10 -7 - 10 -9K filtro 10 -2 - 10 -4K espaldón > 10 -2 m/s• Núcleo impermeableEl tamaño del núcleo depende del material y de la cimentación. Puede ser grueso o delgadosegún la pérdida de agua que se pueda admitir y según el material que lo constituye.Material Núcleo Cohesión Núcleo_______________________________________Arena limosa - GruesoLimo arcillosa +Arcilla + DelgadoEl núcleo debe llevarse por encima del NFE.El ancho mínimo del núcleo en su parte superior debe ser entre 1.0 m. y 1.5 m. para facilitar lacompactación. La anchura mínima del núcleo en la base puede ser H/2 si el núcleo es grueso.Un núcleo delgado puede proyectarse si el material que lo constituye es muy impermeable y lacompactación es bien controlada. En este caso, el espesor en la base es del orden (1/3-1/7)H.• FiltrosLa granulometría de las zonas adyacentes debe ser tal que los materiales de una zona no seanarrastrados a otras. Se necesita por tanto una zona de transición entre el núcleo impermeable y el74

espaldón de enrocado lo que se logra con el uso de filtros. Los filtros por tanto evitan la fuga departículas del núcleo al cuerpo de la presa protegiéndolo del lavado y pérdida de materiales finos.El uso de geotextiles como material de filtro debe limitarse al caso en que la diferencia deltamaño de las partículas entre el núcleo y los espaldones no sea mucha, pues si hay por ejemplopiedras grandes y arcillas, esfuerzos de tensión pueden generarse y el geotextil se daña. Parapresas pequeñas el núcleo impermeable de arcilla se puede reemplazar por asfalto.•Material permeable de los espaldones de enrocadoEl material permeable se coloca aguas abajo para permitir el abatimiento de la línea freática ymermar presiones intersticiales por el agua filtrada y se coloca aguas arriba para permitir ladisipación de presiones al hacer desembalse rápido y para proteger los taludes de erosión poroleaje, etc.2.3 TaludesLa pendiente de los taludes de presas pequeñas de material homogéneo depende de la altura totaldel terraplén, de las características de los materiales empleados, y del grado de compactaciónexigido para su construcción. Por regla general, al talud húmedo por estar sometido a la accióndel agua se le asigna una pendiente más suave para evitar deslizamientos. Tablas N° 28 y 29.Tabla N° 28. Taludes recomendados para presas de material homogéneo sobre basescompactas y estables. HIMAT. 1984.Material del terraplén Altura de la presa Inclinación del talud[m] Aguas arriba Aguas abajoArcillas de baja plasticidad Hasta 44 a 82:12.5:11.5:12:1Arcillas arenosas Hasta 44 a 83:13.5:12:12.5:1Arenas arcillosas, arcillas muyplásticas, limos elásticos.Hasta 44 a 8 m4:14:13:13:175Tabla N° 29. Inclinación de los taludes de presas homogéneas.Altura de la presa [m]≤ 5.05.1 a 10.010.1 a 15.015.1 a 30.0Aguas arriba2.0:1.02.5:1.02.75 a 3.0:1.03.0 a 3.5:1.0TaludAguas abajo1.5 a 1.75:1.02.0:1.02.5:1.02.5 a 2.75:1.0Las presas mixtas permiten taludes más pendientes dependiendo de los parámetros de resistenciadel enrocado (ϕ), llegando a tener relaciones comunes entre 1.5H:1V, y 2.0H:1V.

762.4 BermasSe pueden construir cada 10 o 20 m. de altura de la presa, dotándolas de cuneta para canalizarlas aguas.Son convenientes en presas altas para:· Facilitar el tránsito durante la construcción· Permitir reparaciones posteriores· Mejoramiento de la estabilidad2.5 CoronaEl ancho mínimo que se da a las presas pequeñas en su corona obedece a los siguientes factores:· Dar mayor volumen a la presa para mejorar su seguridad y estabilidad.· Establecer los servicios necesarios sobre la presa, utilizándola como vía de mantenimiento einspección.· Facilitar la construcción con los equipos disponibles.Tabla N° 30. Ancho de corona mínimo según el Código de Arizona.Altura de la presa [m] Ancho de corona [m]< 12 3.012 a 45 4.5> 45 6.0El HIMAT (1984) dice:· Ancho mínimo cuando no se usa como vía = 3.0 m·Ancho mínimo cuando se usa como vía = 3.60 m.El ancho mínimo usado en Italia es de 2.5 m.Una recomendación práctica es tomar el ancho de la corona iguala ¼ de la altura.El drenaje superficial de la corona se logra dando un bombeo así:· Pendiente transversal cuando el talud seco está revestido: 2% hacia ambos lados a partir delcentro .· Pendiente transversal cuando el talud seco no está revestido: 2% hacia el lado aguas arriba.· La protección para evitar erosión cuando no se usa como vía consiste en 0.10 m. de afirmadoo grava.

· Si se usa como vía se hace el diseño teniendo en cuenta parámetros de diseño de carreteras ylas especificaciones de la carretera que conecta. Se suele colocar mínimo 0.20 m. de afirmadocarreteable.772.6 Borde libre o resguardoEl borde libre protege a la presa para evitar que el agua pase por encima de ella. Tiene lassiguientes funciones:· Contrarrestar asentamientos por encima de los previstos.· Seguridad en caso de avenidas más grandes que las previstas.· Evitar sobrepaso por olas o fallas por mal funcionamiento de vertedero de demasías.Tabla N° 31. Borde libre para presas flexibles. HIMAT. 1984.Altura total de la presa [m] Borde libre [m]< 4 0.64 a 6 0.96 a 8 1.2Tabla N° 32. Borde libre en presas. Justin. 1903.Altura de la presa Borde libre [m]Baja 0.5 a 1.5Mediana 1.8 a 3.0Alta 3.0 a 9.02.7 Obras de protecciónUna presa de materiales sueltos bien construida puede contener el agua y resistir la presiónhidrostática bastante bien, pero puede tener problemas con la circulación de agua sobre lasuperficie. Además, es importante prevenir cualquier arrastre de material del terraplén que puedaocasionar el paso de agua a través del cuerpo de la presa.

78Solución típica para presas en arcillas expansivas con alturas menores de 5 m.HIMAT, 1989.Es por tanto necesario tomar medidas protectoras así:• Protección del talud aguas arribaEl talud aguas arriba debe protegerse contra el efecto de las olas y lluvia, fluctuaciones de niveldel embalse, y animales que puedan cavar galerías.Generalmente el enrocado colocado al volteo es suficiente. Si el efecto de las olas es muy grande,unas losas de concreto resultan preferibles. El concreto armado no suele emplearse en las presasde tierra pero sí en las de escollera donde menores asentamientos pueden preverse.Las recomendaciones mínimas que deben seguirse para el diseño del enrocado de protección son:· En enrocado se debe colocar sobre un filtro de grava o gravilla de 0.30 m. de espesor.· El espesor mínimo del enrocado es de 0.30 m. si se coloca en forma manual, y de 0.45 m. si secoloca al volteo, es decir descargado directamente sobre el filtro del talud. Para taludes 2:1, elespesor del enrocado se aumenta en 0.15 m.· El enrocado se coloca en todo el talud desde el pié hasta la corona de la presa.· Las rocas escogidas para el enrocado deben ser angulares, duras, de peso individual variableentre 10 y 300 libras, pero sin que el porcentaje de rocas de 10 libras ni el de 300 libras, seamayor del 25%. Además el tamaño debe ser variado entre el rango especificado.· Si el enrocado es acomodado a mano se debe especificar una colocación cuidadosa similar a lade la mampostería seca (sin pegar) pero dejando espacio entre las rocas para facilitar el drenajeal bajar el nivel del agua en el embalse.· En caso de que no se disponga de piedras angulares se pueden emplear piedras redondeadasgrandes partidas, siempre y cuando cumplan los requisitos de peso individual.

Iribarren y Hudson han dado expresiones para el cálculo del peso de la piedra a colocar comoprotección sobre el talud aguas arriba. (Revista Ingeniería Hoy N° 3. Facultad de IngenieríaCivil. Universidad del Cauca. 1986).La expresión propuesta por Hudson es:3hoγ stagαW ≥γ3s− γw3.2∆∆ =γwW = peso de la piedrah o = altura de la olaγ s = peso específico de la piedraα = ángulo de inclinación del taludγ w = peso específico del aguaEl diámetro medio equivalente se puede calcular mediante la siguiente expresión:79Dm= n3WγsD m = diámetro medion = 1.32 para piedra con aristas irregularesn = 1.20 para piedra con aristas redondeadasProtección del talud aguas arriba con sacos llenos de concreto. HIMAT, 1989.• Protección del talud secoSe emplea el más económico entre las siguientes dos opciones:· Una capa de piedra triturada de 0.30 m de espesor.· Una cubierta de tierra vegetal de 0.20 m. sembrada de pasto.Es importante que la protección del talud seco en la línea de intersección entre el terraplén y laladera se realice con cuidado para evitar erosiones y deslaves.

80El talud seco debe proveerse de drenaje. Este tipo de protección se utiliza solamente para presascon alturas superiores a 5 metros. El drenaje se hace indispensable en presas homogéneas.El drenaje del pié del talud seco se requiere para evitar la saturación y derrumbe del talud y paraimpedir que el agua infiltrada arrastre el material del cuerpo de la presa. El drenaje abate el nivelfreático dentro de la presa evitando su salida sobre el talud aguas abajo lo que llevaría a sudestrucción.El tipo de drenaje empleado para pequeñas presas es el que se conoce con el nombre de prismade drenaje. Este se construye con piedras, grava y arena, las especificaciones de diseño son:a) Altura igual a 20% de la altura de la presa.b) Ancho de la corona 1.0 m.c) Talud cara interna 1.5:1 y talud cara externa 2.0:1.d) Entre la superficie de contacto con el terraplén o la fundación, y el prisma de drenaje secolocan dos filtros, cada uno de 0.20 m. de espesor, uno de arena y el otro de grava.Drenaje al pie del talud seco. HIMAT, 1989.Escuadra típica para control de taludes. HIMAT, 1989.

813. Filtración a través de la presaPara garantizar la seguridad y la economía en una estructura del tipo de presa flexible, esindispensable conocer la influencia del chorro de filtración sobre la presa, la posición de la curvade filtración, el punto de salida del chorro de filtración, la altura de la elevación por capilaridaddel agua, la composición química de los suelos y del agua que se filtra. Para la solución de losproblemas de filtración en las presas de suelos existen métodos hidromecánicos, hidráulicos yexperimentales que han sido obtenidos para el caso de propiedades isotrópicas, pero para casosen que esta propiedad no se presente, habrá que introducir correctivos en las solucionesobtenidas.Para el cálculo de la filtración se pueden aplicar varios métodos. Unos métodos son másaproximados que otros, pero en general puede decirse: Toda red de filtración se construye en lahipótesis de que el suelo de un estrato dado por donde se filtra el agua es uniforme en supermeabilidad. En realidad, en los estratos de suelos naturales, la permeabilidad varía de punto apunto, especialmente a lo largo de líneas normales a los límites del estrato. Por ello, la diferenciaentre una red de filtración crudamente esquematizada y otra exacta es comúnmente pequeña,comparada con la diferencia entre la fluencia del agua en el suelo real y la que indica la red defiltración exacta. La universalidad de esta circunstancia hace que los refinamientos en laconstrucción de redes de filtración, como los estudios detallados sobre modelos físicos omatemáticos no se justifiquen desde el punto de vista práctico para proyectos de presaspequeñas.4. Estabilidad de la presaLa estabilidad de los taludes de una presa se determina por su capacidad para resistir esfuerzoscortantes ya que la falla se produce por deslizamiento a lo largo de una superficie de corte.El análisis de estabilidad de la presa consiste en determinar la estabilidad de sus taludes aguasarriba y aguas abajo. Se hace por unidad de longitud de talud. Este es un proceso de tanteos enque se suponen diferentes condiciones de carga a que puede estar sometida la presa. Las fuerzasque producen el movimiento de la masa que constituye el talud son: fuerzas de gravedad, fuerzassísmicas, acción del oleaje, del hielo y sobrecargas. Las fuerzas que se oponen al movimiento sonlas debidas a los parámetros de resistencia del suelo que constituye el terraplén: cohesión yfricción interna del material.Los terraplenes hechos de materiales granulares son mas estables ya que tienen mayor resistenciaa la fricción y por ser mas permeables permiten la rápida disipación de las presionesintersticiales. Por ésto, presas homogéneas de materiales mas o menos impermeables llevantaludes mas tendidos que las presas mixtas o las de enrocado. El talud de aguas arriba por estarsometido a la permanente acción del agua es mas tendido que el de aguas abajo.La situación mas critica para el talud aguas arriba es el rápido desembalse que sigue a un largoperiodo de niveles altos en el embalse, y para el talud aguas abajo es la máxima saturación delterraplén cuando el embalse esta lleno.

82La resistencia al esfuerzo cortante se obtiene por la ecuación de Coulomb:En presiones efectivas:τ = C´ + σtagφ´τ = esfuerzo cortanteC = cohesiónσ = esfuerzo efectivo total normal a la superficie potencial de deslizamientoφ = ángulo de fricción internaσ = σ +µσ = esfuerzo total normal a la superficie potencial de deslizamientoµ = presión del agua en los poros, determinada por medio de piezómetros, red de flujo, teorías deconsolidaciónLas anteriores ecuaciones indican que la resistencia al esfuerzo cortante se reduce por lapresencia del agua. En un principio las cargas son absorbidas por el agua pero si se da tiempo aque el material consolide , la presión de poro se disipa y empieza a actuar el suelo.El análisis de estabilidad se puede hacer considerando esfuerzos efectivos o totales. El análisis delas presiones efectivas se usa para chequear el comportamiento a largo plazo de la presa dandolugar a que el exceso depresión de poros se disipe. Se tienen en cuenta φ´ y C´.El análisis de presiones totales se usa para cargas aplicadas súbitamente y si:• El llenado del terraplén se hace sobre suelo impermeable saturado.• Después de un desembalse rápido en suelos impermeables saturados.• Después de una excavación en suelos impermeables saturados.Si el suelo es permeable, el agua sale y la presión de poros se disipa rápidamente. El análisis porpresiones totales se aplica mas a suelos impermeables por lo que se puede asumir φ = 0 y τ = C.En términos generales los pasos a seguir son (Cújar G., 1992):1. Se supone una superficie de falla la cual puede ser: por el pie del talud, por la base o por eltalud.Esto determina una masa deslizante y una superficie de deslizamiento.La masa deslizante define las fuerza motoras que producen el deslizamiento y la superficie defalla permite calcular las fuerzas que se oponen al deslizamiento.2. Se calculan los momentos resistentes y los momentos motores o deslizantes3. Se calcula el factor de seguridad para la superficie de falla asumida

83Si la falla es de tipo traslacional, el factor de seguridad esFsn∑i=1= n∑i=1fuerzas estabilizantesfuerzas desestabilizantesSi la falla es de tipo rotacional el factor de seguridad es:Fsn∑i=1= n∑i=1momentos estabilizantesmomentos desestabilizantes4. Asumir otras superficies de falla para obtener el factor de seguridad mínimo del talud.• Métodos para analizar la estabilidad de un taluda) Método suecob) Método de Felleniusc) Método de Bishop ModificadoAdemás, de los anteriores que son bastante usados mundialmente, existen otros mas rigurosos(Sarma, Morgenstern y Price, Spencer) e incluso otros mas rápidos que sirven como guía paraestimar la posición del centro del círculo crítico, determinar el tipo probable de falla y encontrarel ángulo del talud adecuado a los requerimientos de seguridad (Duncam y Buchigmani).a) Método suecoUno muy sencillo es el método sueco o el del círculo de falla por deslizamiento, que puedeafectar a parte del talud, a todo el talud o a éste y parte de la cimentación. Este es un método detanteos en el cual:a) Se fija un centro del círculo de falla y su radio, de forma que desde el centro se traza uncírculo que divide en dos el terraplén.b) Se determinan las fuerzas actuantes y resistentes.c) Se calculan los momentos.d) Se determina el factor de seguridad del círculo supuesto.e) Se suponen otros círculos de falla y encontrar el factor de seguridad del talud.El método sueco se puede aplicar a cualquier pendiente y combinación de fuerzas para suelosnetamente cohesivos o sea cuando la resistencia al esfuerzo cortante del suelo sea independientede los esfuerzos normales al plano de falla (τ = C). El factor de seguridad por este método estáentre 10% y 15% mas bajo que otros métodos mas exactos.

84b) Método de FelleniusEs un método en que la superficie de falla se divide en n dovelas o tajadas para analizar elsistema de fuerzas. Este método al igual que el de Bishop permite considerar materialesheterogéneos y analizar otras superficies de falla. También, es conveniente utilizar este métodocuando la resistencia al esfuerzo cortante del suelo es función de los esfuerzos normales o sea:τ = C + σtagφSe proponen los siguientes pasos generales para determinar la estabilidad de un talud:1. Suponer una superficie de falla circular, la cual puede ser por el pie del talud, la base deltalud, o el talud mismo. Esta superficie de falla determina una superficie de deslizamiento yuna masa deslizante.2. Dividir la zona de falla en dovelas de espesor constante o variable.3. Calcular las fuerzas motoras y las fuerzas que se oponen al deslizamiento o fuerzas resistentespara cada dovela.4. Calcular los momentos motores y los resistentes que actúan a lo largo de la superficie de falla.5. Calcular el factor de seguridad para la superficie de falla asumida.6. Asumir otras superficies de falla y recalcular el factor de seguridad hasta encontrar el mínimo.El factor de seguridad al deslizamiento se obtiene así.Fsn∑i=1= n∑i=1n = número de dovelasmomentos estabilizantesmomentos desestabilizantesLas fuerzas a considerar incluyen los efectos de sismos, hielo, olas, embalse lleno o vacío.Un factor de seguridad de 1.5 se considera suficiente para presas.Tabla N° 33. Guía para los factores de seguridad: análisis de estabilidad de esfuerzosefectivos. Novak, P. et al. 2001.Caso Condición Factor de seguridad Talud1 En construcción, final de la 1.25 Aguas arriba y abajoconstrucción.2 Operación a largo plazo, 1.5 Aguas arriba y abajoembalse lleno.3 Desembalse rápido 1.2 Aguas arriba4 Carga sísmica con 1, 2 o 3 1.1 Aguas arriba y abajo1. Los valores anteriores deben interpretarse en el contexto del caso particular, considerando como incertidumbresen cualquiera de los parámetros principales, µ (presión de poros), C´ y φ´.3. Mínimos de diseño mas altos son apropiados en análisis basados en parámetros de esfuerzos totales y enresistencias pico en el caso de suelos frágiles.

La presencia de un estrato delgado de baja resistencia al corte puede gobernar el plano de falla,simplificando el problema.85Arcilla duraEstrato muy blandoOtro caso en que la estratigrafía del suelo gobierna la superficie de falla se ilustra a continuación:EEstrato muy blando• Método para encontrar el centro del círculo de falla mas críticoEl método consiste en encontrar un punto en la base de la presa a una distancia de 4.5Hiniciando al pie del talud. El punto A se intercepta con el punto del corte superior del talud, quese prolonga una distancia 0.4H, a la cual se encontraría una primera aproximación del círculo defalla al que se encuentra el factor de seguridad correspondiente. Sobre la misma línea se localizancuatro o cinco puntos mas, dependiendo de si al calcular el valor del factor de seguridad, losvalores se dispersan o se aproximan todos a un mismo valor. Se toma el punto con el mínimofactor de seguridad encontrado y se traza por ese punto una perpendicular sobre la cual se ubicanotros cuatro o cinco puntos que van a ser los centros de los círculos de falla con menores valoresdel factor de seguridad. Se escoge el valor mas bajo entre estos.0.4HHCentro mas crítico4.5H

865. Asentamiento de la presaEl asentamiento de la presa es del mayor interés para su estabilidad. El mayor asentamiento seproduce durante la construcción de la presa y durante los primeros meses de su operación.Los asentamientos ocurren en la presa y la fundación por diferentes causas tales comocompactación inadecuada de la presa y la fundación, preparación incorrecta de la fundación,empleo de materiales de mala calidad. Los asentamientos pueden llevar a la falla de una presa alcausar el rompimiento de la membrana impermeable, del núcleo o de los filtros. Otra causa defallas es el aplastamiento de materiales por las cargas actuantes encima de ellos.El asentamiento se produce en dos etapas:1. El principal, que ocurre durante la construcción, lo que no afecta la membrana impermeable amenos que se construya al mismo tiempo que el cuerpo de la presa.2. El secundario, que ocurre al llenarse el vaso y se produce la transmisión de las fuerzas delagua al enrocamiento.Cuanto mayor sea el tamaño de los bloques, es menor el número de puntos sujetos aaplastamiento. Presas de escollera hechas de granito o caliza no asientan más del 2%, aunque sepuede llegar al 5%. El valor del asentamiento vertical durante el período de explotación de unapresa de arcilla usualmente no es mayor del 1.0% de la altura pero puede llegar al 3% o más.Como recomendación general en presas pequeñas se puede proporcionar la siguiente alturaadicional por asentamientos:Fundación y terraplén % de altura totalMateriales no compresibles 2Materiales compresibles 5Lauton propuso la siguiente fórmula:S = 0.001P3/ 2P = altura de la presaS = asentamiento durante la explotación

87PRESAS EN ENROCADOSon terraplenes formados por fragmentos de roca de varios tamaños cuya función es darestabilidad y por una membrana aguas arriba que es la que proporciona impermeabilidad. Nacenen California a mediados del siglo XIX.Su adopción se indica en los siguientes casos:· Abundancia de roca de la zona· Inadecuada cimentación para presas rígidas· Altos costos para el transporte de los elementos del concreto· Las presas de enrocado se pueden ejecutar en toda época y con gran rapidez. Es precisointerrumpir la construcción de presas de concreto gravedad en localizaciones donde bajastemperaturas se presentan, y de presas de materiales fino durante épocas lluviosas.· Si el cimiento es de roca muy agrietada, la subpresión para presas de concreto gravedad es altapor lo que da un perfil ensanchado y por tanto una presa de escollera se prefiere al no haberproblemas de subpresión.· Caso en que la comparación económica con respecto a otras alternativas presente la presa deenrocado como la más favorable.1. Elementos constitutivos· CimentaciónLos requisitos de cimentación para este tipo de presa son menos exigentes que para las deconcreto ya que son más flexibles, pero son más exigentes que para las de suelo puesto que lapantalla impermeable podría quebrarse.· El dentellónEs un cierre hermético a lo largo del contacto de la pantalla impermeable con la cimentación ylos empotramientos. El dentellón está situado en el talón aguas arriba de la presa y contribuye acortar filtraciones. Sirve también de apoyo al peso de la membrana. Facilita hacer inyecciones sise requiere mejorar la cimentación. Sus dimensiones están generalmente gobernadas por razonesconstructivas. La profundidad depende de la naturaleza del suelo de fundación. Usualmente,tiene un ancho mínimo de 1.0 m.· PedraplénPor economía, la roca del cuerpo debe estar situada cerca del emplazamiento de la presa, y éstees uno de los factores que gobiernan su selección. La roca se obtiene de las canteras debiendoser dura y durable para que resista el acarreo, funcionamiento, y operación. La roca no debe tenermateriales inestables o lajas. El tamaño está restringido por el equipo a usar. Puede ir de 2 cm amas de 1.0 m. Las lajas deben evitarse pues pueden acomodarse dejando grandes huecos. Alaumentar las cargas, las piedras débiles se rompen ocasionando grandes asentamientos. Elempleo de grandes bloques de roca da mayor estabilidad pero si se colocan espesores de rocamuy grandes, los pesados irán al fondo y los finos quedan superficialmente. Siempre es mejoremplear grandes bloques limitando los finos. Los finos (polvo, arenas) no deben constiruir masde un 3%

88El talud de aguas abajo se tiende de forma que se logre el ángulo de reposo de la roca para evitartener que poner zonas estabilizadoras.El talud de aguas arriba puede ser más pendiente, dado que está confinado por la pantallaimpermeable, pero por razones constructivas suele inclinarse. Los taludes pueden construirsealgo convexos, de forma que si se producen asentamientos del terraplén, las juntas de lamembrana impermeable tienden a cerrarse en vez de abrirse.El ancho mínimo que se recomienda en la corona es de 2.50 m.Los taludes pueden ser interrumpidos por bermas con el fin de aumentar la estabilidad y facilitarla construcción de la estructura.La construcción del enrocamiento es lo más importante desde que se debe tratar de disminuir elasentamiento total y la posibilidad de perjudicar la membrana impermeable. El terraplén sepuede colocar al volteo usando medios mecánicos, en franjas que antes eran de 20.0 m, pero enla actualidad se usan mejor de 1.0 m. Conviene colocar sobre cada capa agua a presión lo queayuda al acomodo de partículas y lubrica los bloques facilitando así mismo su acomodo.En presas pequeñas conviene colocar el enrocamiento en capas también pequeñas para evitar lapresencia de grandes huecos.• Zona de transiciónAntes de colocar la pantalla impermeable se suele colocar sobre el enrocado una franja de 4.5 m.de espesor; esta zona puede ser de arena y grava graduada compactada en capas de 30 cm. dealtura. Se suele colocar a mano o muy cuidadosamente para lograr un buen apoyo de la pantallaimpermeable.• Pantalla impermeableAntes de colocarse la pantalla, debe dejarse que se produzcan los mayores asentamientos. Puedenfabricarse de diversos materiales:· Concreto reforzadoEs el tipo más común de membrana. Para presas bajas, un espesor de 20 cm. es suficiente y noson necesarias juntas de dilatación horizontales ni verticales. Juntas verticales pueden sernecesarias si la longitud de la presa es considerable. En la línea de unión de las paredes rígidasde la pantalla con la cerrada se deben dejar juntas de expansión. El acero es del 0.5 al 0.7% delárea del concreto vertical y horizontalmente, respectivamente. Algunos recomiendan espesor dela plaza igual al 1% de la carga de agua pero mínimo 0.20 m.· Pantalla de concreto reforzado fundido in-situConsiste de una placa de concreto armado vertido directamente sobre la piedra arreglada. Elmortero penetrando en los vacíos es un vínculo de unión. Se disponen juntas horizontales yverticales para resistir asentamientos. Bajo las juntas se pueden dejar bloques de concretoalojados en espacios dejados en la escollera.

89· Lozas de concreto asfálticoProporcionan flexibilidad al cierre aguas arriba. Se debe hacer primero un riego de penetraciónsobre el cual se coloca luego la mezcla asfáltica en capas de aproximadamente 10 cm. El espesortotal puede ser de 30 cm. La mezcla puede tener un 8% de asfalto con referencia al peso delagregado seco. Para la construcción, se usan máquinas pavimentadoras bajadas desde la coronapor medio de cables.Deben hacerse ensayos de impermeabilidad, adherencia con la piedra, facilidad de tendido de lacapa, resistencia y estabilidad a la temperatura para llegar al diseño adecuado del concretoasfáltico.· AceroEste tipo de pantalla consiste en placas de acero de 0.7 a 0.9 cm. de espesor, y en longitudesmanejables. Pueden ir atornilladas o soldadas.· MaderaPueden resultar baratas pero están sujetas a destrucción por las condiciones de exposición a lahumedad o sequedad. Pueden usarse provisionalmente durante los primeros años y cuando elasentamiento se produzca reemplazarlas por pantallas de concreto. Se usan tablones de maderaclavados sobre largueros enterrados en el enrocado. Estos largueros pueden a su vez sujetarse apostes enterrados profundamente2. Estabilidad del enrocadoLa estabilidad de un enrocado constituido por materiales no friccionantes, como gravas, arenas ylimos no plásticos, considera los siguientes factores:· La máxima inclinación del talud es igual al ángulo de fricción interna del material.· La máxima inclinación es independiente de la altura del talud.· La superficie de falla es plana.· El talud es estable si el ángulo de inclinación se hace menor que el ángulo de fricción interna.Factor de seguridadWταN

90a) Suelos friccionantes secostagφF. S.= > 1.0tagαα = ángulo de inclinación del taludφ = ángulo de fricción interna del materialb) Suelos friccionantes y talud sumergidotagφ´F. S.= > 1.0tagαφ´ = ángulo de fricción interna del material en presiones efectivasVentajas y desventajas de las presas flexiblesTipo de presa Ventajas DesventajasHomogénea desuelo fino• El material se compacta con unsolo equipo, facilitándose tambiénla explotación de materiales, eltransporte y el almacenamiento.• Las líneas de flujo son mas largas.Mixta • Taludes con pendientes mas altas.• Menor cantidad de materiales deconstrucción• Se facilita la construcción poretapas, especialmente si el núcleoes inclinado hacia aguas arriba• Se requieren altos controles en lacompactación para evitar quequeden estratos con diferentespropiedades.• Se pueden presentar altosasentamientos.• Mayor inestabilidad del talud aguasarriba durante desembalses rápidos.• Mayor volumen de material.• Se requiere protección de taludes.• Se requieren diferentes equipos parahacer la compactación de las zonas.• Se necesitan diferentes áreas depréstamo y almacenamiento.• El núcleo puede quebrarse si es muyesbelto y presentarsediscontinuidades

91Fallas mas comunes en la construcción de presas flexiblesA continuación se mencionan las fallas mas comunes en presas flexibles, según estadísticasvistas durante el curso de presas en Delft, 1984.CausaHidrología e hidráulicaDiseño y construcciónGeología y mecánica de suelosOperación y mantenimientoAmbientalesOtrasPorcentaje de fallas45308665FallaHidráulica(20%correspondena presas altasy 50% apresas bajas)Filtración(50%correspondena presas altasy 30% apresas bajas)Estructural(33%correspondena presas altasy 20% apresas bajas)Problemas• Asentamientos debido a la compresibilidad del terreno de fundación.• Paso del agua por encima de la cresta de la presa debido a asentamientos o ala poca capacidad del vertedero.• Acción de las olas sobre el paramento aguas arriba.• Fallas del filtro.• Erosión al pie de la presa si la descarga de agua del vertedero y la salida defondo queda muy próxima a la estructura.• Erosión de los taludes debido a la lluvia.• Pérdida de agua debido a la erosión, o a terraplenes permeables desde elprincipio.• Raíces formando parte del terraplén.• Filtraciones a lo largo de conductos que cruzan el terraplén.• Fallas por expansión y contracción de suelos plásticos.• Animales que excavan el terraplén.• Deslizamientos de la fundación.• Alta velocidad de construcción.• Deslizamiento de los taludes debido a materiales inadecuados deconstrucción, desembalses rápidos, cambios en la posición de las líneas deflujo, factores atmosféricos.• Angulo de fricción interna del suelo menor del esperado.• Desembalse rápido.• Taponamiento del filtro.

92REFERENCIASGómez Navarro. J. L y Aracil J. J. Saltos de agua y presas de embalse. 1944.Grishin M. M. Estructuras Hidráulicas. Tomos 1 y 2. Mir. Moscú. 1974.Linsley R. y Francini J. Ingeniería de los Recursos Hidráulicos. Compañía EditorialContinental. México. 1975.Marsal, R. Presas de tierra y enrocamiento. 1983.Novak, P., Moffat, A.I.B., Nalluri, C. y Narayanan, R. Estructuras Hidráulicas. Unwin HymanLtda. London, UK. 1990.Oramas G. y Lemos R. Estructuras Hidráulicas. FIC. UNICAUCA. Popayán.U.S.B.R. Diseño de Presas Pequeñas. United States Department of Interior. 1967.Villamizar C., A. Diseño de Presas de Tierra para Pequeños Almacenamientos. HIMAT. 1989.