Cortinas de enrocamiento con losas de concreto hidráulico en el talud de aguas arriba

Francisco Torres Herrera

Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, SARH

Hasta 1960 las cortinas se construían con el enrocamiento a volteo y poca compac- tación, pero con el tiempo, éste sufría fuertes asentamientos que provocaban frac- turas en las losas de concreto hidráulico y fugas considerables a través de la cortina.

son absorbidas por la junta perimetral. Para ello, se recomienda disminuir de los enrocamientos y compactar las capas con rodillo vibratorio; añadir

agua a presión y fabricar las losas de concreto con continuidad desde el plinto hasta la corona. En la actualidad en México se proyecta una cortina de este tipo para la presa Huites, en el estado de S resultados sean satisfactorios.

altura

Antecedentes

enrocamiento como sigue: una cortina consis- tente de enrocamiento suelto a volteo con pen- dientes en cada talud cercanas a la pendiente natural, con una placa o losa impermeable en el talud de aguas arriba, apoyada sobre una delgada zona de mampostería seca y posteriormente el enrocamiento propiamente 1939).

En México, este tipo de cortinas fue construido con cierta frecuencia desde fines del siglo pasado hasta los años de 1960-1965; no obstante, debido a los problemas de filtraciones que presentaba y al advenimiento de las cortinas de mat duados, después de los años cuarenta, nieros prefirieron estas últimas por su mejor comportamiento. Sin embargo, al mejorarse los

terísticas muy satisfactorias desde el punto de mico, que hacen competiti- enrocamiento en compara-

ción con las de otros tipos, aunque su altura se limita aproximadamente a 160 m; no obstante, se puede prever que superaran estas dimensiones en un futuro próximo (Pinto, 1982).

En lo que va del siglo en México, se han cons- truido cortinas de enrocamiento con losas de concreto en el talud de aguas arriba (en el cuadro 1 aparecen las características de algunas de ellas). Puede observarse que todas son de poca altura y de enrocamiento a volteo, por lo que ha habido necesidad de repara disminuir las filtraciones.

Las notas siguientes se refieren a las cortinas que Cooke denomina del periodo moderno (Cooke, 1984), de la México, aunque se estudia truir por lo menos tres Durango, El Mezquite Huites en el de Sinaloa. los estudios de varios ingeniero nido en el diseño y construcción de este tipo de cortinas, principalmente Cooke, quien ha sido consultor en casi todas las construidas durante los últimos 30 años.

Es indudable que, para formular las especifica- ciones de cada caso concreto, se requiere cono- cer las características mecánicas de la roca de que se dispone, por lo cual los conceptos que aquí se exponen deberán considerarse de carác- ter general e ilustrativos. Para que sirva como

Una de las técnicas que más ha contribuido a mejorar el comportamiento de las losas de con- creto en el talud de aguas arriba es la de compac- tar el enrocamiento con 4 Ó 6 pasadas de rodillo liso vibratorio de 10 ton de peso. En la ilustración 1, se destaca el enrocamiento compactado con el número 4 y se indica el espesor máximo reco- mendable de cada capa. En la presa Foz Do Areia (Pinto, 1982) la zona 4c se formó con capas de 0.80 m de espesor, con resultados muy satisfacto- rios; la roca era basalto y brecha basáltica.

ocamiento

Aun cuando las gravas no quedan comprendidas definición de enrocamiento, pueden usarse

cortina, ya sea I. Su módulo de

compresibilidad es 5 a 10 veces mayor que el del enrocamiento compactado y de hasta 40 veces el del enrocamiento a volteo (Cooke, 1984). Por consiguiente las de este tipo, en la construcción de cortinas de enrocamiento ofrece ventajas con- siderables y permite levantarlas con alturas ma- yores que cuando se emplea solamente roca.

Uso del agua en enrocamiento compactado

El uso de agua a presión en enrocamientos com- pactados depende en gran medida de la calidad de la roca. En el caso de la roca dura y sana, es comun usar entre 25% y 50% de agua, con respec- to al volumen total de este material, mientras que

La zona 2 soporta directamente la losa de con- creto y, de acuerdo con la práctica actual, el material que la forma debe cumplir con la granu- lometría siguiente (Sherard, 1985):

El material con ado puede ser roca tritu- rada o grava aluvial. AI aplicarse e la clasificación recomendada, se consigue:

Que tenga un coeficiente de permeabilidad del orden de 10-3 ó 10-4 cms/s, con loqueseelimina la posibilidad de que se presenten grandes valo- res de filtración en caso de agrietamiento de la losa o de abertura de las juntas. Que no haya segregación del material, lo que facilita su manejo y evita el desperdicio de con- creto en la losa. La zona 2 puede ser paralela a la losa de con-

creto, con un ancho de 5.0 m, en sentido horizon- tal. Deben dársele 4 Ó 6 pasadas con rodillo liso vibratorio de 10 ton de peso en capas de 0.40 a 0.50 m y, posteriormente, 4 Ó 6 pasadas con rodi-

inclinada en el sentido del terminada la superficie, no debe

objeto de evitar que se erosione la superficie de contacto con la losa de concreto, es conveniente darle un baño de emul- sión asfáltica o gunita.

Las zonas 3 y 4a, cuyo espesor puede ser varia- ble, funcionan como graduación entre la 2 y el enrocamiento de las zonas 4b y 4c. Cuando la calidad del enrocamiento sea adecuada puede

desplantarse sobre los acarreos del río, para lo cual deberán realizarse previamente las pruebas de compactación c

Losas

La distribución del enrocamiento en el cuerpo de la cortina, su graduación y la selección del proce- dimiento de colocación tienen por objeto dismi- nuir las deformaciones que pudieran afectar la

concreto en el talud de aguas arriba, puje hidrostático total. efectuadas en las presas de

Cethana, Mackintosh y Murchison (Fitzpatrick, 1985) indicaron que la losa de aguas arriba expe- rimenta una compresión biaxial, cuyos valores máximos se presentan cerca de la vertical al cen- tro de la losa; también se presentaron zonas de tensión cerca del talón, la corona y los reentran- tes en el perímetro de la cimentación.

Así mismo, se detectaron movimientos de las juntas en tres direcciones: dos en el plano de la junta y uno normal a la superficie; no obstante, los tres se registraron en la junta perimetral, ya fuera en el talón, en las zonas reentrantes o cerca de la corona.

Los resultados anteriores confirmaron, por un lado, la conveniencia de eliminar las juntas de contracción-dilatación en sentido horizontal y sustituirlas por juntas verticales, con objeto de utilizar cimbras deslizantes en el proceso de colado, y por el otro, la necesidad de construir una junta perimetral, en el arranque de las losas del talud con la losa de talón, denominada plinto. Una de las tendencias actuales es construir las losas muy delgadas; su espesor es de 0.30 m en la parte superior y se engrosan de acuerdo con la expresión e = 0.30 + 0,003 H comúnmente acep- tada, en donde e es igual al espesor en metros y H corresponde a la distancia vertical desde la corona, también en metros.

El ancho de las losas puede ser aproximada- mente de 15.0 m en forma continua, desde el talón hasta la corona. De requerirse juntas horizontales de colado, deben tratarse como tales. En el caso del concreto, s e 210 kg/cm2 a los 28 do, la relación agua-cemento del orden de 0.5 y el reve- nimiento de 8 cm, con un 7.6 cm (3") y algún fluidizante. El acero de refuerzo debe ser de 0.4% as direcciones en relación con el área de concreto, y se colocará a la mitad del espesor de la losa. El refuerzo debe aumentarse en las juntas perimetrales, con objeto

de prevenir eventuales fracturas contra las losas contiguas o contra el plinto (véanse ilustraciones

e presentan la distribución de las losas y los detalles de las juntas de la presa Salvajina, en Colombia, cuya cortina es de 148 m de altura y que actualmente está en servicio (Sie- rra, 1985). En la ilustración 2 se muestra un corte en la boquilla y la distribución de las losas en la cara de aguas ariba, así como las juntas, tanto de construcción como de contracción-dilatación. El ancho de las losas es de 15 m y se aprecia la dis- tinción entre las losas centrales, que corresponden a la zona en donde se presentaron compresiones, y las exteriores, sobre las cuales se esperan ten- siones. Una consideración semejante se hizo en

En virtud de que se ha generalizado el nombre de plinto para designar la losa de talón, se utilizará esta denominación en el presente artículo. Uno

principales en la e el di-

porcionan Pinto (1982), Fitzpatrick (1985) y Pinkerton (1985).

Las juntas perimetrales son las que presentan posibilidades de movimientos, tanto en el plano de la junta como normalmente a ella; también son susceptibles de abertura por fuerzas de tensión. Por tanto, es conveniente diseñadas cuidadosa- mente con dos o más líneas de defensa contra la filtración (véanse las ilustraciones y los citados en el párrafo anterior).

Con objeto de reducir el volumen de enroca- miento, es común que en la parte superior del talud de aguas arriba en las cortinas modernas se construya un muro de contención en forma de L, como se muestra en la ilustración 7. La altura del muro en parapeto puede ser de 4 a 5 m sobre la cresta temporal, pero las dimensiones de cada caso en particular dependerán del ancho de corona de diseño (véanse ilustraciones 3, 5, 7 y 8). Por ejemplo, Salvajina el muro tiene una altura de 8.0 m y U ancho de corona también de 8.0 m (Sierra, 1985). Cabe señalar que en la presa de Yacambu (Martínez, et al, 1982) se colocó además un muro de c abajo, con objeto cor

seño y construcción de cortinas de enrocamiento ha sido la eliminación del dentellón en el arran- que de las losas del Paramento mojado, para sus- t i tu i r lo por una losa 0 plinto de concreto reforzado, construida sobre la roca de cimenta- ción. Es recomendable que el plinto tenga un ancho de 6 a 8 m o que este varíe entre H

la carga hidrostática en cada punto), según la calidad de la Cimentación. El espesor puede tener un valor de 0.60 m como mínimo. Conviene que sea anclado a la cimentación, para que sirva de apoyo a la consolidación e inyectado; el tipo y espaciamiento de las anclas dependerá de la cali- dad de la roca de cimentación. En caso de que en ésta existan materiales erosionables, puede pro- longarse el plinto como losa dentro del cuerpo de la cortina (Ranji, 1986), diente en esa

Juntas de contracción-dilatación

En las ilustraciones 4, 5 y 6 se muestran detalles de las diferentes juntas utilizadas en la cortina de la presa Salvajina; la información sobre solucio- nes semejantes en otras presas modernas la pro-

Cimentación

Con frecuencia se argumenta que la construcción de cortinas de enrocamiento con losas de con- creto en talud de aguas arriba debe limitarse a los casos en que se cuente con roca de cimentación de buena calidad, inyectable y no erosionable (Cooke, 1984). Sin embargo, en los últimos años se han construido cortinas de enrocamiento en cimentaciones de roca alterada y con fracturas rellenas de material erosionable, como lo anota Ranji (1986), en r on el caso de la presa

guiente: trado ser estructuras estables y seguras para con- La losa de talón convencional, con longitud de diciones tanto estáticas como dinámicas, y es 0.1 H de agua en cualquier punto, fue prolon- probable que en México se construyan en el gada hacia aguas abajo como una de con- futuro presas con cortinas de enrocamiento de creto de 150 mm de espesor mínimo, de tal considerable altura, incluso en zonas de alta sis- manera que e/ ancho total de /a /osa de talón y micidad. Por consiguiente, conviene dotar a “cimentación de concreto” de la dichas cortinas de instrumentación para medir las carga de agua en cualquier deformaciones, movimientos y variaciones de La cimentación aguas abajo de la “cimentación de concreto” fue protegida por filtros inverti- dos, en una dista 0.5 de /a Manejo del río a construcción carga de agua.

con dos Una las cortinas de

principalmente con base en la observación de su comportamiento durante su construcción, Ile- nado y operación.

Aun cuando en la actualidad existe una gran cantidad de datos sobre presas construidas en todo el mundo, es necesario que en México se construyan de conformidad con las técnicas nue- vas, que sean dotadas de la instrumentación co- rrespondiente para supervisar su comportamien- to Y que se adquiera campo.

Winneke en Australia. respecto, señala lo si- concreto en el talud de aguas arriba han demos-

temperatura en el concreto.

perforaciones, las cuales fueron lava- miento determinadas condicion das con aire y agua antes de inyectar con mez- clas de cemento solo (véase ilustración 3). Por otra parte, Merritt (1986) indica que en una

presa construida cientemente se observó que la losa de talón (plinto) puede localizarse a una pro- fundidad en la cual la roca tenga una recupera- ción de 75% y un RQD (Rock Quality Desig- nation) con valores mayores de 50-60%. También señala que para construir el plinto y realizar el inyectado pueden adoptarse varias medidas, sin interferir con las otras actividades de la presa.

Conforme a lo anterior, es previsible que en el futuro puedan resolverse problemas de cimenta- ciones en rocas de no muy buena calidad. Con- viene agregar que la cortina de la presa Salvajina se desplantó también en cimentación heterogé-

miten que el agua de una avenida pase por encima del enrocamiento.

Para edificar la cortina, se puede construir un desvío con una pequeña ataguía fuera del cuerpo de aquella para un determinado tiempo de recu- rrencia, lo cual ofrece la posibilidad de realizar la primera etapa de su construcción. Si se prevé la ocurrencia de una avenida mayor durante ésta etapa, pueden tomarse las precauciones nece- sarias para que el agua pase sobre el enroca- miento sin degradarlo. En este caso, el talud de aguas abajo debe reforzarse con varillas de acero. En estas condiciones, el esquema para las obras de desvío puede diseñarse para una avenida pequeña, lo que lograr una economía considerable.

México fue de los primeros países del mundo en donde se usaron protecciones contra flujos de agua sobre el enrocamiento (Bulletin, 1984). El primero de esos casos fue la presa San Ildefonso, en el estado de Querétaro (en 1939), y otro fue el de la presa Tacotán en Jalisco, ambas acredita- das al ingeniero Andrew Weiss. En el Boletín 48 de la ICOLD de 1984, se mencionan 54 casos de dife- rentes partes del mundo en los que se protegieron los enrocamientos; en 22 de ellos se presentaron flujos por encima del enrocamiento. En la misma

y Ce- 1969-1970, las cua-

instrumentadas, se han desarrollado nuevas técnicas para el diseño y construcción de cortinas de enrocamiento con losas de concreto en el talud de aguas arriba,

deberá pasarse cuatro veces como mínimo. Siempre que sea posible, la compactación se

ciones adecuadas sobre las talud de aguas arriba,

tratamiento especial: se

ea de proyecto del talud. Debido a que la compactación no puede

publicación se indican los métodos usados para el efecto y los resultados obtenidos.

cias en presas de Australia, y señalan que si se Varty (1985), y otros refieren algunas experien- hará en líneas paralelas y normales

la construcción d publicación Con Design, Construction presentan algunos otros casos de presas moder- nas cuyas cortinas han sido protegidas aguas abajo, en previsión de flujos de agua sobre ellas.

realizarse hasta la orilla del talud, conviene que

cortina

respecto a la superficie para evitar que se erosione por las conveniencia de no construir vertedores de exce- condiciones climatológicas o por las activida- dencias sobre el cuerpo de una cortina de enroca- des subsecuentes de los trabajadores; para este miento, debido a los importantes asentamientos tratamiento podrá aplicarse emulsión asfáltica que experimentan dichas estructuras. Sin embar- o gunita. Debe aclararse que, en el caso de la go, incluso las s de enrocamiento cons- presa Cethana se construyó un bordo de truidas con procedimientos procedimientos modernos sufren prueba para adaptar los procedimientos a los asentamientos, principalmente durante la etapa m a materiales d is pon i b les. de construcción, por lo que podrían diseñarse Todas las juntas verticales en las losas deberán vertedores en el cuerpo de éstas, aun en aquellas ser a tope y sin utilizar en ellas ningún material de pequeña altura. Sherard (1986) es partidario blando de relleno. Las juntas horizontales serán de esta propuesta y destaca que aunque se han exclusivamente de construcción. elaborado algunos proyectos para este tipo de Deberá tenerse especial cuidado al diseñar y presas, se han abandonado por falta de antece- construir las juntas perimetrales, las cuales dentes, lo cual es lamentable. serán dotadas de varias líneas de defensa con-

tra filtraciones. Así mismo, en la zona de estas juntas se reforzará el concreto, para prevenir la Conclusiones

En vista de que a la fecha en México no se cuenta ruptura del mismo y proteger la tapajunta de con experiencia en el diseño y construcción de cloruro de polivinilo. cortinas de enrocamiento con losas de concreto Se procurará reducir al máximo el espesor de en el talud de aguas arriba con tecnología las losas de concreto, ya que las deformaciones moderna, las cortinas que se construyan en un no dependen de este factor, sino de la calidad futuro próximo deberán basarse en tecnología del enrocamiento. extranjera; las especificaciones constructivas En el arranque de las losas de concreto se deberán establecerse en forma clara y concisa y construirá un plinto, en lugar del dentellón tra- personal calificado deberá ejercer un control de dicional; en esta zona se podrá dar tratamiento calidad estricto durante la construcción. De lo a la cimentación, de acuerdo con sus caracte- anterior se desprende que: rísticas particulares.

Deberá terminarse la construcción de la totali- Como previsión ante la necesidad de vaciar el dad de los enrocamientos antes de iniciar la de vaso de la presa para realizar inspecciones y las losas de concreto, para lo cual se requerirán reparaciones, deberán construirse descargas cimbras deslizantes. de fondo. El enrocamiento deberá construirse con roca En caso de que se prevea un desbordamiento, de calidad conocida, bien graduada y compac- el enrocamiento deberá armarse en el talud de tada en capas con espesor máximo de 1.50 m aguas abajo. en la parte de aguas abajo del cuerpo principal, Será conveniente que las cortinas de enroca- y deberá agregarse entre 15% y 50% de agua a miento que se construyan en lo futuro cuenten presión. Para la compactación se utilizará un con instrumentación adecuada para evaluar su rodillo liso vibratorio de 10 ton de peso, el cual comportamiento.

Referencias

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