Fundamentos de Diseño y Auscultación en Presas: Tipologías, Estabilidad y Avances Históricos

Avances Históricos en la Ingeniería de Presas

La Capacidad Organizativa de Roma (Siglo I a.C.)

La civilización romana demostró una gran capacidad organizativa para afrontar obras de gran escala. Su mayor contribución fue la solución de problemas de naturaleza hidráulica, como la impermeabilización. Utilizaron el muro pantalla, con núcleo de hormigón de cal entre dos paños de fábrica (de mampostería o sillería). Este nivel técnico no se superó hasta el siglo XIX. Inicialmente, su uso era para riego y zona de recreo (uso lúdico), y en el Imperio Augusto se empezaron a usar para abastecimiento.

El Caso de la Presa de Argelia: Importancia de las Subpresiones

El fallo de la Presa de Argelia se produjo por no considerar las subpresiones en su diseño, es decir, en el cálculo de equilibrio de fuerzas generadas en el cimiento. No considerar las subpresiones produce fallos de inestabilidad como:

• Deslizamientos
• Piping
• Erosión interna
• Sifonamiento

Tipología y Diseño de Presas

Clasificación de Presas según el Valle

La elección del tipo de presa depende de las características geométricas del emplazamiento:

Nota: CCD (Cuerpo de Conglomerado Compactado), RCC (Hormigón Compactado con Rodillo), CFRD (Presa de Escollera con Cara de Hormigón), PMS (Presa de Materiales Sueltos).

Componentes de la Presa de Materiales Sueltos (PMS) Inclinada

• Núcleo: Elemento impermeable que divide la presa en dos espaldones y frena el paso del agua desde el embalse.
• Filtros y Drenes:
  • Filtros: Previenen la erosión del núcleo y favorecen el sellado de las fisuras.
  • Drenes: Canalizan las filtraciones del interior de la presa para proteger el núcleo, evitando presiones intersticiales descontroladas en el cuerpo de la presa.
• Espaldones: Deben ser lo más permeables posible.
  • Aguas Arriba (ARR): Protege y sostiene, pero no contribuye a resistir el empuje hidrostático.
  • Aguas Abajo (AB): Actúa como una presa de gravedad con el paramento mojado coincidente con el plano de aguas arriba del núcleo.
• Paramentos: Elemento impermeable que se encuentra en contacto con el embalse y forma el talud aguas arriba de la presa. Es una pantalla que protege el espaldón aguas arriba.

Comparativa: PMS de Núcleo Central e Inclinado

El núcleo inclinado es el más común y se comporta mejor frente a sismos.

La Fractura Hidráulica y la Erosión Interna

La fractura interna o hidráulica provoca la erosión interna o sifonamiento. Puede ocurrir en el paramento de aguas abajo del núcleo, cuando la tensión efectiva desciende por debajo de un umbral.

Medidas para Reducir el Riesgo de Fractura

Para reducir el riesgo de fractura es importante:

1. Diseñar núcleos anchos de arcillas de plasticidad alta o intermedia, dado que se autosellan y tienen una buena resistencia a la fisuración y al sifonamiento.
2. Tener en cuenta la disposición de filtros de anchura y granulometría adecuada, protegiendo el núcleo de arcilla de los finos que migran desde el núcleo.

Tracciones en Presas Arco: Ubicación, Motivo y Reducción

Las presas de arco están sujetas a diferentes esfuerzos de tracción según la zona y el estado de carga:

Proyecto y Auscultación de Presas Nuevas

Fases del Proyecto de Observaciones

Para el proyecto de presas nuevas, la fase de observación es crucial:

1. Selección de los tipos de observaciones necesarios: Es fundamental conocer las características de la presa y su cimiento, sus condiciones particulares, el régimen probable de explotación y los modos fundamentales de fallo.
2. Definición de la ubicación y distribución de las observaciones: Se debe determinar el Alcance y la Densidad.
3. Definición del periodo de tiempo que deben abarcar las observaciones.
4. Selección de los métodos de auscultación (hidráulica, deformacional, etc.).
5. Selección de los sensores: En la actualidad existe una gran gama.
6. Presupuesto (instalaciones y mantenimiento).

La Observación visual proporciona información cualitativa de cualquier tipo.

Tipos de Auscultación y Sensores Empleados

Auscultación Hidráulica

• Medición: Filtraciones (cantidad y calidad, cuantificación y análisis de residuo de arrastre). Presión del agua (presiones intersticiales y niveles piezométricos) en diversos puntos de interés (cuerpo de presa y cimiento).
• Sensores empleados: Aforadores, drenes, piezómetros abiertos y piezómetros de cuerda vibrante, manómetros.

Auscultación Deformacional

• Medición: Deformaciones (desplazamientos y movimientos en juntas y fisuras) en la superficie e interior de la presa y cimiento. Giros.
• Sensores empleados: Topografía de precisión, bases 3D, tubos inclinómetros, células de asiento hidráulico, extensómetros, péndulos.

Auscultación Tensional

• Medición: Tensiones (estructuras y cimientos), medida de tensiones ejercidas entre materiales, CPT (ensayo de penetración de cono).

Auscultación Térmica

• Medición: Temperaturas.
• Sensores empleados: Termómetros, fibra óptica.

Auscultación Dinámica

• Medición: Velocidades y aceleraciones.
• Sensores empleados: Sismógrafos de muy diferentes características.

Propiedades Esenciales de los Filtros

Los filtros previenen la erosión del núcleo y favorecen el sellado de las fisuras de este.

Requisitos y Funciones

• Deben ser más permeables que el suelo que protegen (permeabilidad entre 20 y 50 veces mayor que la del suelo base).
• Deben ser estables, impidiendo el tránsito de las partículas del suelo base.
• Deben ser autoestables, por lo que sus partículas no deben moverse.
• Deben tener una granulometría continua.

El filtro facilita el autosellado de las fisuras del núcleo, ya que, al no ser arrastrados los finos del núcleo y estar sometido a su peso, acaba cediendo por plasticidad y sellado.

Condición de Estabilidad Interna

Esta condición depende del suelo base, donde se deben cumplir ciertas restricciones de los finos (excluyendo las gravas).

Criterio aceptado: D15/d85 < 4-9