Represa de hormigón

Antecedentes

Las presas de hormigón se construyen en cuatro formas básicas. La presa de gravedad de hormigón tiene el peso como fuerza. Una sección transversal de esta presa parece un triángulo y la base ancha es aproximadamente tres cuartos de la altura de la presa. El agua en el embalse aguas arriba de la presa empuja horizontalmente contra la presa, y el peso de la presa de gravedad empuja hacia abajo para contrarrestar la presión del agua. La presa de contrafuerte de hormigón también utiliza su peso para resistir la fuerza del agua. Sin embargo, es más estrecho y tiene contrafuertes en la base o el pie de la presa en el lado aguas abajo. Estos contrafuertes pueden ser muros estrechos que se extienden desde el frente de la presa, al igual que los "contrafuertes voladores" que sostienen los muros de la catedral o un solo contrafuerte más bien como una presa corta que se puede construir a lo largo del ancho del pie de la presa.

La presa de arco es una de las estructuras de ingeniería civil más elegantes. En sección transversal, la presa es de ancho estrecho, pero, cuando se ve desde arriba, está curvada de modo que el arco mira hacia el agua y el cuenco de la curva mira hacia abajo. Este diseño utiliza las propiedades del hormigón como su fuerza. El hormigón no es fuerte en tensión (cuando se tira o estira), pero es muy fuerte en compresión (cuando se empuja o se carga). La presa de arco usa el peso del agua detrás de ella para empujar contra el concreto y cerrar las juntas; la fuerza del agua es parte del diseño de la presa. La presa de arco-gravedad es una combinación del tipo de arco y el tipo de gravedad, como sugiere el nombre; es una forma de arco más ancha. Las presas de arcos múltiples combinan la tecnología de los diseños de arcos y contrafuertes con varios arcos simples sostenidos por contrafuertes.

Las presas de hormigón se utilizan con más frecuencia que las presas de relleno para producir energía hidroeléctrica porque se pueden construir compuertas (también llamadas compuertas) u otros tipos de estructuras de salida en el hormigón para permitir que el agua se libere del depósito de manera controlada. Cuando se necesita agua para generar energía, agua potable o riego aguas abajo, las compuertas se pueden abrir para liberar la cantidad necesaria durante un tiempo específico. El agua puede mantenerse fluyendo en el río río abajo para que los peces y otros animales salvajes puedan sobrevivir. Se requiere que tanto las presas de concreto como las de relleno tengan aliviaderos de emergencia para que las aguas de la inundación puedan liberarse de manera segura río abajo antes de que el agua fluya sobre la parte superior o la cresta de la presa y potencialmente la erosione. Los aliviaderos canalizan el agua corriente abajo y muy por debajo de la base o el pie de la presa para que la presa y sus cimientos no se erosionen.

La mayoría de las presas construidas en el siglo XX y las que se diseñan hoy tienen varios propósitos. Existen más de 40.000 represas de más de 45 pies (15 m) clasificadas como grandes, y más de la mitad de ellas se han construido desde 1960. De estas represas, el 16% de ellas se encuentran en los Estados Unidos y el 52% en China; El 83% son presas de relleno que se utilizan principalmente para el almacenamiento de agua y el 17% restante son presas de hormigón o mampostería con múltiples propósitos. Las presas que generan energía hidroeléctrica producen el 20% de la electricidad del mundo.

Historial

Las presas de relleno pueden ser una técnica de construcción mucho más antigua que las presas de concreto o mampostería, pero la presa más antigua que se conserva es Sadd el Kafara, a unas 20 millas (32 km) al sur de El Cairo, Egipto. Esta presa es en realidad un compuesto que consta de dos muros de mampostería con el espacio entre ellos lleno de grava; fue construida entre 2950 y 2750 a. C.

Los antiguos romanos desarrollaron técnicas superiores para construir con mampostería, pero, curiosamente, no solían utilizar sus habilidades de mampostería en la construcción de presas. Una excepción fue la presa de Proserpina en Mérida, España, que aún se mantiene en pie. Otros no pasaron por alto los desarrollos de los romanos. Aproximadamente en 550 A.D. , los bizantinos de la periferia oriental del Imperio Romano utilizaron la forma del arco de mampostería romana para construir lo que la historia cree que fue la primera presa de arco de gravedad del mundo. La construcción de represas llegó a América con los conquistadores. En México, vieron tierra seca que necesitaba riego e imitaron las presas construidas por romanos, musulmanes y cristianos españoles en su tierra natal; la Iglesia Católica financió la construcción y muchos de los misioneros eran ingenieros calificados.

La construcción de presas era poco común en Europa hasta la Revolución Industrial. Los climas del norte producían más precipitaciones, por lo que la energía hidráulica se producía de forma natural y el suministro de agua era abundante. En el siglo XVIII, sin embargo, el auge de la industria requirió un suministro constante y confiable de energía hidráulica con mayor fuerza, por lo que la construcción de presas de concreto y mampostería se hizo popular en Europa. La Revolución Industrial también impulsó el desarrollo de la ciencia y la ingeniería, y la especialidad de ingeniería civil, que incluye el diseño y la construcción de estructuras para mejorar la calidad de vida, nació en la década de 1850. Los primeros ingenieros civiles comenzaron a estudiar la física de Sir Isaac Newton y otras teorías científicas y las aplicaron a estructuras prácticas, incluidas las presas.

Restos de la presa de Austin, Pensilvania, después de su falla el 30 de septiembre de 1911.

El 30 de septiembre de 1911, la ciudad de Austin (3200 habitantes) en el país montañoso del centro norte de Pensilvania fue devastada por un torrente de agua que rugió a través del valle, canalizado por su estrechez y paredes escarpadas. La fuerza arrancó las tuberías principales de gas de debajo de las calles; y tan pronto como pasó el muro de agua, una llama errante encendió el gas y el fuego saltó de tubería de gas en tubería de gas y de casa en edificio a lo largo de los restos en pie de la ciudad de Austin, de 30 años de antigüedad. Los informes iniciales afirmaron que habían muerto 1.000 personas, aunque la información posterior situó el número de muertos entre 50 y 149. La fuente de este dolor también fue la fuente de sustento de Austin. La fábrica de pulpa y papel Bayless era propietaria de la presa de hormigón, que había construido en 1909 para proporcionar un depósito de almacenamiento de agua para su negocio de fabricación de pulpa y papel, que consume mucha agua. Hubo un precursor de este desastre en enero de 1910 cuando, tras las intensas lluvias invernales y el deshielo, se observaron grietas en la presa. Las grietas fueron reparadas, pero no fueron reconocidas como indicios de problemas relacionados con los cimientos, diseño y construcción de la estructura.

La presa todavía estaba en construcción cuando se acercaba el invierno de 1909-10. Las temperaturas estaban por debajo del punto de congelación cuando se colocó parte del concreto, y las etapas finales de construcción se terminaron apresuradamente. La presa se completó aproximadamente el 1 de diciembre de 1909, y una grieta que se extendía desde la cima de la presa verticalmente hasta el suelo era visible cuando se terminó la construcción. A finales de mes, había aparecido una segunda grieta. Ambas grietas parecían ser el resultado de la contracción del hormigón. El 17 de enero de 1910, una ola de calor trajo fuertes lluvias y provocó un rápido deshielo, y cuatro días después, el agua de la inundación se derramó sobre el aliviadero.

Todos los aspectos técnicos de Austin Dam eran deficientes. Las fallas en la construcción fueron obvias e incluyeron el uso de agregados débiles y de gran tamaño colocados en concreto mal curado en climas gélidos. Cuando ocurrió la falla de enero de 1910, mostró que la estructura de la presa y el lecho de roca de fundación habían fallado. La indiferencia del propietario / operador a las reparaciones recomendadas por el ingeniero fue el sello fatal.

Materias primas

Las materias primas clave para las presas de hormigón son el propio hormigón y el refuerzo de acero. Se pueden utilizar otros materiales y componentes fabricados por contratistas especializados en la construcción de presas e incluyen puertas de acero y revestimientos de túneles, tapones de goma, compuestos plásticos de relleno de juntas para prohibir el movimiento de agua, controles eléctricos y cableado, sifones, válvulas, generadores de energía. , una amplia variedad de instrumentos e incluso láminas de teflón para revestir las estructuras de salida de agua para evitar turbulencias y cavitación (daños debido a remolinos de agua).

El hormigón en sí está hecho de cemento, agua y materiales denominados colectivamente agregados que consisten en arena o grava. El cemento tiene propiedades únicas que deben tenerse en cuenta al seleccionar el cemento, diseñar la presa y programar la construcción. La mezcla de cemento y agua provoca una reacción química que endurece el hormigón pero que también libera calor. Esto provoca un marcado aumento de la temperatura dentro de una masa de hormigón y, cuando el hormigón comienza a enfriarse, se contrae y se agrieta, lo que puede provocar fugas. Para limitar estos efectos, se puede colocar concreto cuando la temperatura del aire es baja, se puede usar cemento de baja temperatura y se puede hacer circular agua a través de tuberías en el concreto. Además, el hormigón debe colocarse en ascensores poco profundos (es decir, solo se agregan unos pocos pies o metros a la vez) y en bloques estrechos; luego debe dejarse curar durante un tiempo mínimo especificado para que el calor se disipe. Dependiendo del diseño de la presa, los ingenieros elegirán la mezcla de concreto (incluido el cemento y el tipo de agregado) con mucho cuidado; una presa de arco delgado está diseñada con una mezcla de hormigón diferente a la de una presa de gravedad masiva.

Diseño

El diseño de una presa de hormigón depende del propósito de la presa y de la configuración del sitio donde se construirá. Las presas son de dos tipos generales. Las presas de desbordamiento bloquean el flujo en un arroyo y aprovechan el agua para generar energía o para mejorar la navegación y proporcionar agua de riego. Los componentes de una presa de desbordamiento están diseñados para que se pueda liberar el agua y regular el nivel del agua en el depósito mediante una serie de compuertas, aliviaderos o túneles de salida. Las presas sin desbordamiento almacenan agua para el suministro de agua potable, el riego o la energía; también tienen un aliviadero, pero su uso está restringido para emergencias para bajar el nivel del agua rápidamente durante las inundaciones. Los métodos para liberar el agua almacenada son mucho más limitados que en las presas de desbordamiento, y la presa en sí puede no contener ninguna estructura de salida. En cambio, se puede bombear agua para riego, por ejemplo, desde parte del depósito.

Algunos sitios se adaptan mejor a tipos particulares de represas. Una presa de arco es más apropiada para la construcción en un desfiladero alto y estrecho donde el arco de la forma estructural proporciona resistencia. Pero también se puede construir un arco a través de un cañón más ancho donde otros efectos como la fricción en la base de la presa agregan fuerza y ​​resistencia al movimiento. De manera similar, una presa de gravedad es la opción típica para un cañón ancho y poco profundo, pero si se construye con cierta curvatura, la acción de arco también fortalecerá una presa de gravedad en un desfiladero más estrecho y alto. Donde el lecho del río es excepcionalmente ancho, la presa puede diseñarse para tener varios vanos, cada uno con diferentes propiedades de ingeniería dependiendo de la variación de los materiales de cimentación. Los tramos separados generalmente se apoyan en el lado de aguas abajo (aire) por contrafuertes o las curvas extendidas de múltiples arcos. A veces, los tramos de presas de varios vanos se construyen con losas de hormigón o placas de acero apoyadas en pilares.

Al igual que las presas de relleno, las presas de concreto pasan por extensas rondas de diseño preliminar y estudios de factibilidad para elegir y explorar el sitio, para evaluar la cantidad de agua retenida y su valor (como fuente de energía o fuente de suministro) versus el costo del proyecto. los años previstos de funcionamiento, para considerar una amplia gama de otros efectos, como cambios en el medio ambiente, y para elegir una presa del tamaño y la configuración óptimos. Cientos de factores entran en estos estudios y el proceso suele ser iterativo. Se elige un diseño y se prueba contra todos estos factores hasta que no satisface uno o más factores, y se elige y estudia la siguiente variación en el diseño hasta que falla o pasa.

El proceso de diseño de una presa de hormigón generalmente involucra a profesionales de una gama más amplia de disciplinas que el diseño de una presa de relleno. Los profesionales técnicos que contribuyen con su experiencia al diseño de una presa de concreto pueden incluir geólogos, sismólogos, científicos ambientales, ingenieros geotécnicos (suelos), ingenieros civiles, ingenieros estructurales, analistas informáticos (especialistas en aplicaciones de software que examinan la resistencia y seguridad de la presa), hidrólogos e ingenieros hidráulicos, ingenieros mecánicos e ingenieros eléctricos si la presa se va a utilizar para la generación de energía. Aún más especialistas pueden estudiar aspectos como la corrosión de estructuras de hormigón y acero. El trabajo en equipo necesario para el diseño y la construcción de la presa es fundamental no solo por los enormes costos de estos proyectos, sino también por la seguridad Un ejemplo de un plan típico de presa de gravedad de arco de hormigón. de personas y propiedades aguas abajo exige perfección.

El proceso de construcción

1. Antes de que pueda comenzar la construcción de cualquier presa, se debe desviar el agua en el lecho del arroyo o detener su flujo a través del sitio. Como en el caso de las presas de relleno, se debe construir una ataguía (una estructura temporal para embalsar el agua) o el agua debe desviarse a otro canal o área corriente abajo del sitio de la presa. Para proyectos grandes, esta construcción puede realizarse varias temporadas antes de que comience la construcción de la presa. El flujo de agua se cierra en el último momento.

2. El área de los cimientos de cualquier presa de hormigón debe estar impecable antes de colocar el primer hormigón para la presa. En cuanto a las presas de relleno, este es un proceso detallado de excavación, limpieza y reparación de la roca a lo largo de la "huella" de los cimientos y en ambos estribos (los lados del cañón que forman los extremos de la presa). También se deben preparar los sitios inmediatamente aguas abajo de la presa para cualquier planta de energía, cuenca amortiguadora u otra estructura.

   En algunos sitios, es posible que se requiera un trabajo extenso. Si la roca en los cimientos o estribos es propensa a fracturarse debido a la carga impuesta por la presa y su reservorio, la actividad sísmica o las propiedades de la roca, puede ser necesario instalar extensos sistemas de pernos para roca o pernos de anclaje que sean lechada en la roca a través de posibles zonas de fractura. En los estribos sobre la presa, es posible que se requieran sistemas de pernos de roca y redes para evitar que grandes fragmentos de roca caigan sobre la presa. Los instrumentos para monitorear los niveles de agua subterránea, movimiento de juntas, filtración potencial, movimientos de pendientes y actividad sísmica se instalan desde las primeras etapas de preparación de los cimientos hasta la finalización de la presa.

   Se puede excavar un muro de corte profundamente en la roca o se pueden perforar agujeros en los cimientos para la instalación de acero de refuerzo, llamado barras de refuerzo, que se extienden hacia la presa y se unirán al acero dentro de los primeros levantamientos de la presa. La idea es construir un depósito que, como un cuenco, sea igualmente sólido en todo su perímetro. El agua es más profunda y más pesada en la presa (cuando el embalse está cerca de su capacidad), por lo que la presa y sus cimientos no pueden ser un punto débil en ese perímetro.

3. Los encofrados hechos de madera o acero se construyen a lo largo de los bordes de cada sección de la presa. La barra de refuerzo se coloca dentro de los formularios y se ata a cualquier barra de refuerzo adyacente que se haya instalado previamente. Luego, el concreto se vierte o bombea adentro. La altura de cada levantamiento de concreto es típicamente de solo 5-10 pies (1.5-3 m) y la longitud y el ancho de cada sección de la presa que se va a verter como una unidad es de solo 50 pies ( 15 m). La construcción continúa de esta manera a medida que la presa se eleva sección a sección y elevación a elevación. Algunas presas importantes se construyen en secciones llamadas bloques con llaves o enclavamientos que unen bloques adyacentes y conexiones de acero estructural.

   El proceso es muy parecido a la construcción de un edificio, excepto que la presa tiene mucho menos espacio interno; Sin embargo, sorprendentemente, las principales presas de hormigón tienen galerías de observación en varios niveles, por lo que se puede observar la condición del interior de la presa para detectar filtraciones y movimientos. Los túneles de entrada y salida u otras estructuras también pasan a través de presas de hormigón, lo que las hace muy diferentes de las presas de relleno que tienen la menor cantidad posible de estructuras que penetran en la masa de la presa.

4. Tan pronto como se construya una parte significativa de la presa, puede comenzar el proceso de llenado del embalse. Esto se hace de una manera altamente controlada para evaluar las tensiones en la presa y observar su desempeño inicial. Se construye un aliviadero de emergencia temporal si la construcción de la presa requiere más de una temporada de construcción; La construcción prolongada generalmente se realiza en fases llamadas etapas, pero cada etapa está completamente completa en sí misma y es una presa operativa. La ataguía corriente arriba puede dejarse en su lugar como medida de precaución temporal, pero por lo general no está diseñada para contener más que caudales y precipitaciones mínimos y se desmantelará tan pronto como sea posible. Dependiendo del diseño, algunas presas no se llenan hasta que la construcción está prácticamente terminada.

5. Las otras estructuras que hacen operativa la presa se agregan tan pronto como se alcanza la elevación de su ubicación cuando la presa se eleva. Los componentes finales son la protección contra la erosión en el lado (agua) aguas arriba de la presa (y a veces aguas abajo en las bases de las estructuras de salida), instrumentos a lo largo de la cresta (parte superior) de la presa y carreteras, aceras, farolas y retenedores. paredes Una presa importante como la presa Hoover tiene una calzada en toda regla a lo largo de su cresta; Las presas pequeñas tendrán caminos de mantenimiento que permitirán el acceso de vehículos en fila única.

   Sección transversal de una típica presa de gravedad de arco de hormigón. La altura es de 280 pies (85 m). El grosor crece de 4,9 m (16 pies) en la parte superior a 56 m (184 pies) en la base.

   Lejos de la presa en sí, también se terminaron la casa de máquinas, los edificios de instrumentos e incluso las casas para los operadores residentes de la presa. Se realizan pruebas iniciales de todas las instalaciones de la presa.

6. Los detalles finales de las construcciones se terminan cuando la presa se pone en servicio. El comienzo de la vida útil de la presa también se programó cuidadosamente como un elemento de diseño, de modo que el agua esté disponible en el depósito tan pronto como el sistema de suministro esté listo para bombearlo y canalizarlo aguas abajo, por ejemplo. Un programa de operaciones, mantenimiento de rutina, rehabilitación, controles de seguridad, monitoreo de instrumentos y observación detallada continuará y es obligatorio por ley mientras exista la presa.

Control de calidad

No hay construcción de presas sin un control de calidad intensivo. El proceso de construcción por sí solo implica equipo pesado y condiciones peligrosas para los trabajadores de la construcción, así como para el público. La población que vive aguas abajo de la presa debe protegerse sobre la estructura misma; Los profesionales que diseñan y construyen estos proyectos están absolutamente comprometidos con la seguridad, y son supervisados ​​por agencias locales, estatales y federales como las Divisiones de Seguridad de Represas, el Cuerpo de Ingenieros de EE. UU. y el Departamento de Recuperación.

Subproductos / Residuos

No hay subproductos en el diseño o la construcción de la presa, aunque es posible que se necesiten otras instalaciones asociadas o de apoyo para que el proyecto funcione. El desperdicio también es mínimo porque los materiales son demasiado caros para permitir el desperdicio. Además, las ubicaciones suelen ser remotas y el proceso de retirar los desechos del sitio y eliminarlos es prohibitivo. El suelo y la roca que se pueden excavar en el área de los cimientos, los sitios río abajo, los estribos o partes del reservorio generalmente se usan en otras partes del sitio del proyecto. Las cantidades de materiales cortados o colocados como relleno se calculan cuidadosamente para equilibrarlos.

El futuro

El futuro de las presas de hormigón es objeto de mucho debate. Cada año, más de 100.000 vidas se pierden en las inundaciones, y el control de las inundaciones es una de las principales razones para construir represas, así como para proteger los estuarios contra las mareas de inundación y mejorar la navegación. Las presas también benefician vidas porque proporcionan agua para regar los campos y para beber, y la energía hidroeléctrica es una fuente de electricidad no contaminante. Los embalses también se disfrutan para la recreación, el turismo y la pesca.

Sin embargo, las represas también son dañinas para el medio ambiente. Pueden cambiar los ecosistemas, ahogar los bosques y la vida silvestre (incluidas las especies en peligro de extinción), cambiar la calidad del agua y los patrones de sedimentación, causar la pérdida de tierras agrícolas y suelos fértiles, regular los caudales de los ríos, propagar enfermedades (al crear grandes reservorios que albergan insectos portadores de enfermedades). ), y quizás incluso afecten al clima. También hay efectos sociales adversos porque las poblaciones humanas se ven desplazadas y no se reasentan satisfactoriamente.

Durante años antes del inicio de la construcción en 1994 de la presa de las Tres Gargantas en China, los ambientalistas de todo el mundo organizaron protestas para tratar de detener este enorme proyecto. No han tenido éxito, pero la controversia sobre este proyecto es representativa de los argumentos que enfrentarán todas las represas propuestas en el futuro. El equilibrio entre satisfacer las necesidades humanas de agua, energía y control de inundaciones y proteger el medio ambiente de la erradicación o la invasión humana debe sopesarse cuidadosamente.