Rellenar la presa

Antecedentes

Las presas se encuentran entre las estructuras más antiguas construidas por humanos para uso colectivo. Una presa es una barrera que se construye a través de un río o arroyo para que el agua se pueda retener o incautar para suministrar agua para beber o para riego, para controlar las inundaciones y para generar energía. Los principales tipos de presas son relleno de tierra, relleno de roca, gravedad de hormigón, arco de hormigón y gravedad de arco. Los últimos tres tipos están hechos de hormigón, hormigón armado o mampostería. (El término mampostería puede significar concreto, ladrillos o bloques de roca excavada). Las presas de relleno incluyen todas las presas hechas de materiales terrestres (suelo y roca) que se compactan entre sí. Un tipo de presa de relleno llamada presa de relaves se construye con desechos finos que resultan del procesamiento de la roca durante la extracción; en las minas, estos desechos similares al suelo se compactan para formar un terraplén que contiene agua para los procesos de extracción y molienda o para retener los relaves en el agua.

De las principales categorías de presas enumeradas anteriormente, todas se han construido desde la antigüedad, aunque se desarrollaron muchas mejoras en los siglos XIX y XX con tecnología de ingeniería mejorada. Las presas que tienen fugas no han podido hacer su trabajo, ya sea porque simplemente no pueden retener el agua o porque el agua que se filtra a través de ellas se come los materiales del interior de la presa, lo que hace que falle estructuralmente. En los tiempos modernos, la mayoría de las presas de relleno también se construyen con zonas que incluyen un centro o núcleo de arcilla, capas de filtro y drenaje, materiales más gruesos intercalando el núcleo de arcilla y roca en la cara (agua) aguas arriba para evitar la erosión. Estas zonas se pueden ver claramente cuando se corta una sección transversal desde el lado aguas arriba hasta el lado aguas abajo de la presa. Todas las presas de relleno dependen del peso para mantenerse estables.

Los terraplenes de relleno suelen ser menos costosos de construir que las presas de hormigón. El suelo o la roca están presentes en el sitio y las técnicas de construcción, aunque complejas, también son menos costosas que las de hormigón. Por estas razones de materiales disponibles, bajo costo y estabilidad con la masa, las presas de relleno a menudo se construyen en amplios cursos de agua. También son más flexibles que las estructuras de hormigón y pueden deformarse sin fallar necesariamente si los materiales de cimentación debajo de la presa se comprimen con el peso de la presa y el agua.

Historial

Naturalmente, los primeros constructores de represas empezaron a utilizar materiales abundantes como arena, madera, matorrales y grava. Su método de construcción consistía en transportar los materiales por la canasta y vaciar el relleno sin apretar, por lo que muchas de estas presas pueden haber sobrevivido solo unos pocos años. Los científicos no han podido precisar las fechas de la primera construcción de la presa, pero saben que se necesitaban presas donde se cultivaban alimentos y en áreas propensas a inundaciones.

El diseño de las presas de relleno se basa en la experiencia; si bien los fracasos son desafortunados y, a veces, catastróficos, también son los mejores maestros, y muchos avances de la ingeniería se han basado en un estudio cuidadoso de fracasos anteriores. Los ingenieros de la antigua India y Sri Lanka fueron los pioneros más exitosos en el diseño y la construcción de presas de relleno, y todavía se pueden ver restos de presas de tierra en ambos países. En Sri Lanka, se construyeron largos terraplenes llamados tanques para almacenar agua de riego. El tanque Kalabalala tenía 37 millas (60 km) de largo alrededor de su perímetro.

La presa de relleno de tierra más famosa construida recientemente es la presa de Aswan High, que se construyó al otro lado del río Nilo en Egipto en 1970-1980. Una presa de relleno de tierra también fue víctima de una falla espectacular en junio de 1976 cuando la presa Teton en Idaho se erosionó desde adentro debido a un diseño incorrecto de las zonas dentro de la presa que permitieron filtraciones, fallas e inundaciones del valle río abajo. Aunque las presas de tierra tienden a ser cortas y anchas, la presa de Nurek en Tayikistán tiene 300 m (984 pies) de altura.

Materias primas

Los materiales utilizados para construir presas de relleno incluyen tierra y roca. El suelo se clasifica por tamaño de partícula de las partículas submicroscópicas más pequeñas llamadas arcilla; limo, que también es muy fino; arena que va de fina a gruesa, donde los granos finos son las partículas de suelo más pequeñas que nuestros ojos pueden ver; y grava. Los fragmentos más gruesos llamados adoquines y cantos rodados también se utilizan en la construcción de presas, pero generalmente como capas externas protectoras.

Se necesitan tipos de suelo específicos y rangos de tamaño para construir las zonas dentro de la presa, y las exploraciones del área de cimentación de la presa, el depósito donde se almacenará el agua y las áreas circundantes se realizan no solo para el diseño de la presa sino para ubicar los materiales de construcción . Los costos de construcción del relleno aumentan drásticamente con la distancia que se transportan los materiales. Las muestras de materiales de construcción potenciales se prueban en un laboratorio de suelos para determinar el tamaño del grano, el contenido de humedad, la densidad seca (peso), la plasticidad y la permeabilidad. La arcilla no solo tiene un tamaño muy fino, sino que tiene características químicas que hacen que se pegue. La combinación de tamaño fino y comportamiento plástico también hace que la arcilla sea menos permeable al agua. Si hay arcilla disponible cerca del sitio, la presa se puede construir con un núcleo impermeable o una zona central que evite que el agua pase a través de la presa; de lo contrario, la presa debe diseñarse de manera que el agua pueda filtrarse lenta y seguramente a través de una combinación diferente de materiales en sus zonas.

El agua también es una materia prima. Los diversos tipos de suelo tienen características de compactación que se pueden determinar en el laboratorio y utilizar durante la construcción. El suelo se puede compactar a su mejor densidad funcional agregando humedad, peso e impacto, lo que se denomina esfuerzo de compactación. Los grandes rodillos vibradores presionan finas capas de tierra en su lugar después de haber agregado una cantidad óptima de agua. El agua y el peso unen las partículas del suelo y fuerzan a las partículas más pequeñas a entrar en espacios entre las partículas más grandes, de modo que los vacíos se eliminen o se hagan lo más pequeños posible para restringir la filtración.

Cada vez más, las presas de relleno también incluyen geotextiles y geomembranas. Los geotextiles son telas no tejidas que son fuertes y resistentes a las perforaciones. Se pueden colocar entre ascensores a medida que se eleva la presa para fortalecer los materiales débiles. También se utilizan como telas de filtro para envolver la roca de drenaje más gruesa y limitar la migración de suelo fino al material de drenaje. Las geomembranas están hechas de plástico de polietileno de alta densidad (HDPE) y son impermeables. Se pueden utilizar para revestir la cara aguas arriba de una presa de relleno o incluso para revestir todo el embalse.

Viabilidad y
Diseño preliminar

Una necesidad específica de una presa, ya sea para suministro de agua, almacenamiento de relaves u otros materiales, o control de inundaciones, estimula el proceso de diseño y construcción de una presa de relleno. La necesidad y la ubicación suelen estar estrechamente relacionadas, por lo que se pueden considerar varios sitios. Durante los estudios de factibilidad, los ingenieros identifican estos sitios, hacen comparaciones preliminares de costos, deciden un diseño probable y eligen el mejor sitio para la exploración. La viabilidad ciertamente se refiere al costo de construcción de la presa, pero también incluye los aspectos prácticos técnicos de la idoneidad del sitio, el diseño, la construcción y el mantenimiento y la seguridad a largo plazo.

Después de que se elige un sitio factible, se desarrolla un diseño preliminar de la presa. La ubicación de la presa se superpone en un mapa topográfico para que se puedan mostrar las dimensiones de la parte superior de la presa en relación con las cimas de las colinas adyacentes y el nivel de agua propuesto, así como la extensión de la base de la presa en el arroyo. canal. La elevación del nivel del agua propuesta muestra la extensión del depósito y determina, junto con la forma de la cuenca, la cantidad de agua que retendrá el depósito. Las cantidades de agua almacenada y los materiales utilizados en la construcción de la presa ayudan a determinar el valor del proyecto y sus costos. A veces, se necesitan múltiples iteraciones de selección del sitio, prediseño y estimación de costos. Idealmente, el área de los cimientos debajo de la presa no requerirá mucha excavación o lechada para evitar filtraciones, y los materiales dentro del área del reservorio se pueden excavar y usar para construir la presa, de modo que se obtenga más almacenamiento del reservorio al mismo tiempo que el suelo o la roca. se excavan para construir el terraplén.

Cuando se elige el sitio óptimo en papel, se desarrolla y ejecuta un programa de exploración. Durante la exploración, se perforan perforaciones de prueba a lo largo de la línea del eje de la presa a lo largo de su ancho propuesto, a lo largo o cerca de los pies propuestos aguas arriba y aguas abajo de la presa, en el sitio del aliviadero propuesto y en el área del embalse. Las perforaciones se excavan profundamente en los cimientos para evaluar sus propiedades de resistencia y permeabilidad (potencial de filtración). A medida que las perforaciones se perforan a través del suelo suprayacente, también se toman muestras y se prueban en el laboratorio para que se pueda evaluar como material de construcción de presas potencial. También se realizan pruebas de campo de permeabilidad en el sitio de la presa y en el área del embalse. Si es la fuente de materiales de construcción, también se cavan pozos de prueba en el área del embalse para poder estimar el volumen de suelo disponible (y los costos relacionados).

Diseño

Una vez que se completan la exploración de campo y las pruebas de laboratorio, el equipo de ingeniería comienza el diseño final de la presa con base en los supuestos preliminares, los hallazgos en el campo y cualquier cambio en el diseño o la economía que se base en los hallazgos de campo. Al diseñar una presa de relleno, los ingenieros consideran cinco consideraciones críticas:la masa de la presa que la hará estable; diseño de un núcleo y otras zonas interiores para evitar filtraciones a través de la presa; diseño de un muro de corte u otra prevención de filtraciones debajo de la presa; protección contra la erosión en la cara aguas arriba; y economía.

Las presas de relleno generalmente tienen forma de triángulos con el vértice o la punta en la parte superior o cresta de la presa y la base ancha en el piso del canal del arroyo. El ancho de la base en la sección transversal proporciona fricción para evitar el deslizamiento, y la masa total de la presa la hace lo suficientemente fuerte como para resistir el peso del agua detrás de ella. El área de los cimientos se limpia de tierra blanda, permeable y comprimible; y una pared cortada se corta hasta convertirla en roca o suelo firme. El muro de corte puede construirse con tablestacas de acero u hormigón, pero, para la mayoría de las presas de relleno construidas desde 1960, el muro de corte es simplemente una extensión del núcleo de arcilla. Cuando la roca de cimentación o el suelo contienen huecos o fracturas, se pueden perforar una serie de orificios en la cimentación y se inyecta lechada de concreto en los orificios para sellar las fracturas y ayudar a cortar las filtraciones.

Las zonas de una presa de relleno pueden consistir en varias capas distintas desde el centro de la presa y que se mueven río arriba hacia el agua y un conjunto diferente de capas desde el centro que se mueve aguas abajo. Los materiales para las zonas se seleccionan por sus propiedades de resistencia y características de permeabilidad, y la ubicación de una zona junto a otra se rige cuidadosamente por conjuntos de cálculos basados ​​en estas propiedades. Se incluyen zonas de filtrado y drenaje para que el agua que llegue al interior de la presa se canalice alrededor del núcleo y salga a través de las capas de drenaje en la base de la presa.

La cara (de agua) aguas arriba de la presa a veces se protege con una losa de hormigón o una cara de asfalto. Más comúnmente, se colocan piedras del tamaño de adoquines y rocas en esta cara cerca de la superficie del agua; este revestimiento se llama riprap y evita que la acción de las olas en la superficie del agua erosione los materiales de construcción de la presa. Otras instalaciones para controlar el nivel del agua y cualquier movimiento de agua a través o sobre la presa, como un aliviadero de emergencia, también están diseñadas específicamente para la ubicación, los usos, el tipo y materiales de construcción de la presa y las entradas de agua al reservorio.

Los aspectos económicos de la construcción de presas se consideran durante todo el proceso de diseño. Los materiales de construcción deben estar disponibles en o cerca del sitio. La roca se puede colocar en ángulos más pronunciados que el suelo y pesa más; por lo que una presa construida principalmente de roca puede tener una sección de diseño más pequeña. Sin embargo, excavar y mover rocas puede ser más costoso que el suelo, por lo que los ingenieros de diseño deben considerar los factores de costo. Otros materiales como asfalto, hormigón, acero y cemento para lechada también son caros. Los ingenieros deben determinar el equilibrio adecuado entre seguridad y economía. Las grandes máquinas de movimiento de tierras han realizado la construcción de presas divididas en zonas, más Sección transversal de una presa de relleno típica. más económico que la construcción de presas de hormigón en muchos sitios.

El proceso de construcción

1. Las presas de relleno se construyen en la estación seca cuando los niveles de agua en el río o arroyo son más bajos, es menos probable que llueva en las fuentes de material de relleno y las condiciones son mejores para operar equipos de construcción grandes. Antes de que realmente comience la construcción, se inspecciona el sitio para ubicar la alineación de la presa en el terreno existente, las áreas que serán excavadas y las áreas prestadas o fuentes para el suelo o la roca que se usa en la construcción. Se establecen las instalaciones de gestión de la construcción; por lo general, el gerente de construcción (un ingeniero de campo con años de experiencia similar) trabajará desde un remolque en el sitio. Dependiendo del sitio, puede ser necesario instalar instrumentos para monitorear los efectos de la construcción de presas en las laderas adyacentes u otras características y para medir los niveles de agua subterránea durante la construcción en los cimientos y alrededores. Y, por supuesto, se debe detener el flujo de la corriente que se represa a través del sitio. Esto se puede hacer mediante una variedad de métodos, incluido el desvío de la corriente, tal vez para que fluya a través de un canal vecino, o detenerlo río arriba con una presa o ataguía temporal.
2. Antes de que comience la construcción de la presa, se debe preparar el área de los cimientos. En casos raros, las presas se pueden construir directamente sobre los materiales existentes en el piso del canal; en la mayoría de los sitios, estos materiales son comprimibles (y harían que la presa se asentara irregularmente) y permeables (permitiendo que el agua pase por debajo de la presa). El área de cimentación también incluye los estribos, que son las laderas que forman los dos extremos de la presa. El suelo y la roca blanda o muy fracturada se excavan, se clasifican por tipo y se apilan para su uso posterior en la construcción de presas. La superficie del lecho rocoso de los cimientos se limpia en un grado sorprendente; se cepilla y se lava con agua para que los huecos o irregularidades sean visibles y se limpian de tierra blanda. La cimentación se inspecciona cuidadosamente antes de cualquier trabajo de construcción; Se pueden realizar perforaciones exploratorias adicionales si hay alguna pregunta sobre el estado de la base. Si la roca está fracturada o contiene huecos o agujeros, estos se sellan con lechada de cemento que se inyecta a través de perforaciones de diámetro pequeño en un proceso llamado trabajo dental.
3. La base de la presa debe descender al suelo antes de que se eleve por encima de ella. Una zanja que tiene todo el ancho de la presa (a través del canal) se corta en roca firme. La zanja se llama chavetero o muro de corte y puede tener varios bancos o muescas en la roca. Evita que la presa se deslice a lo largo de una base suave y también crea un camino más largo para que cualquier filtración intente fluir debajo de la presa. La arcilla impermeable que formará el núcleo de la presa se coloca en el chavetero y se compacta y eleva, capa por capa, hasta alcanzar la parte superior del chavetero o base de la mayor parte de los cimientos.
4. El suelo en el chavetero y todas las zonas de la presa se elevan a los mismos niveles al mismo tiempo. Es posible que haya que cortar rampas Vista de Aeriol de una presa de relleno planificada. en el área de la ranura para el equipo de construcción, y luego deben construirse hasta la superficie de trabajo de la parte superior ascendente de la presa. Siempre que sea posible, los caminos se cortan desde los dos lados (estribos) de la presa para facilitar el acceso; eventualmente, se construirá una vía de acceso en la cresta de la presa y se extenderá hasta estos estribos.

   Las grandes excavadoras transportan el tipo específico de suelo necesario para elevar la zona de la presa en la que están trabajando. La tierra se esparce en capas delgadas, generalmente de 6 a 8 pulgadas (15,2 a 20,3 cm) de espesor, se rocía con agua hasta el contenido de humedad correcto y se compacta con rodillos de pata de cabra (rodillos compactadores con puntas que se asemejan a cascos de animales montados en filas alrededor del rodillo que presione y vibre el suelo firmemente en su lugar). Si se usa grava en la construcción, se usa un rodillo vibrador para hacer vibrar los granos juntos de manera que sus ángulos se entrelacen y no dejen aberturas.

   A lo largo del proceso de compactación, los inspectores aprueban el suelo que se transporta en el sitio y se transporta a la zona particular de la presa. Rechazan el material que está contaminado con pastos, raíces, basura u otros desechos; y también rechazan el suelo que no parece tener el tamaño de grano adecuado para esa zona de la presa. Para el control de calidad, las muestras se recolectan y analizan en el laboratorio (para las presas grandes, se instala un laboratorio de suelos en el sitio en un remolque de construcción) para una variedad de pruebas de clasificación. Mientras tanto, el inspector utiliza un medidor de densidad nuclear para evaluar la densidad y el contenido de humedad del suelo cuando se ha colocado y compactado. El medidor de densidad nuclear utiliza una fuente radiactiva muy pequeña para emitir partículas radiactivas al suelo; las partículas rebotan en una placa detectora e indican la humedad y la densidad del suelo en su lugar. El proceso no es dañino para el medio ambiente ni para el operador (que usa una placa para monitorear la exposición radiactiva) y proporciona datos sin tener que excavar y tomar muestras. Si no se cumplen los requisitos de compactación, esa capa de suelo se excava, se vuelve a colocar y se vuelve a compactar hasta que su humedad y densidad sean adecuadas.

   La construcción de la presa de relleno avanza capa por capa y zona por zona hasta que se alcanza la altura de cada zona y, eventualmente, la cresta de la presa. Si no se puede construir toda la presa en una temporada de construcción, la presa generalmente se diseña en fases o etapas. Completar una etapa de construcción (o toda la presa) es a menudo una carrera contra el tiempo, el clima y el presupuesto del proyecto.

5. Algunas presas de tierra tienen instrumentos instalados en ellos al mismo tiempo que se realiza la colocación del relleno, y los instrumentos se construyen en la superficie en capas y zonas, al igual que el relleno. La condición de la presa se monitorea a lo largo de su vida útil, según lo exigen las leyes federales, estatales y locales y los estándares de la práctica de la ingeniería. Los tipos de instrumentos varían según la ubicación de la presa; Casi todas las presas tienen monumentos de asentamiento que se inspeccionan para medir cualquier asentamiento en la superficie o zonas de la presa, indicadores de pendiente para mostrar si las caras inclinadas dentro o en la superficie de la presa se están moviendo e indicadores de nivel de agua para monitorear el agua. nivel en las zonas de la presa. Las presas en áreas sísmicamente activas también pueden estar equipadas con instrumentos para medir el temblor del suelo.
6. Las presas de relleno pueden tener una variedad de otras instalaciones, dependiendo de su tamaño, uso y ubicación. Se requiere un aliviadero de emergencia en todas las presas para permitir que las aguas de la inundación fluyan por una ruta de escape, en lugar de sobre la parte superior de la presa. Se pueden diseñar y construir otros aliviaderos para la producción de energía hidroeléctrica en las presas generadoras de energía, y se necesitan túneles de entrada y salida para liberar agua para riego y suministro de agua potable en los terraplenes construidos para esos fines. En las presas de relleno, generalmente es deseable colocar estas otras instalaciones en excavaciones a través de la base o la roca de contrafuerte; el proceso de compactar la tierra contra las estructuras que realmente pasan a través del relleno es complicado y permite vías de filtración.
7. A veces, el área del depósito también se limpia cuando se va a llenar con agua, particularmente si se puede cosechar madera. No es necesario (y es demasiado caro) quitarle todos los arbustos y la hierba. El proceso de llenado del depósito es relativamente lento, por lo que la mayor parte de la vida silvestre se moverá a medida que aumenta el nivel del agua; Las áreas de preocupación incluyen hábitats para especies raras o en peligro de extinción, y el ahogamiento de estos hábitats ha sido una preocupación en la construcción de varias represas.

Cuando se completa la presa, se permite que el agua que se desvió del canal del arroyo llene el depósito. A medida que el agua sube, también lo hace en partes de la presa, y los instrumentos dentro de la presa se monitorean cuidadosamente durante el período de llenado del embalse. El monitoreo del desempeño de la presa, tanto por instrumentos como por simple observación, se realiza de manera rutinaria; y se archivan planes de seguridad con los servicios de emergencia locales para que los cambios repentinos en las lecturas de los instrumentos o la apariencia de la presa o su embalse desencadenen acciones para alertar y evacuar a las personas que viven en el camino de las aguas de la inundación río abajo. Las reparaciones también se realizan de forma rutinaria.

Control de calidad

La ingeniería de calidad es esencial en la construcción de una presa de relleno porque los materiales utilizados tienen propiedades de resistencia más bajas que el acero y el hormigón requeridos para las presas de hormigón y porque la ubicación determina en última instancia la resistencia, la posibilidad de problemas como filtraciones y asentamientos y, finalmente, el rendimiento y la seguridad. El ingeniero de proyectos geotécnicos ocupa el papel clave de asegurarse de que el diseño y los materiales de la tierra coincidan para hacer un producto seguro; pero muchos otros profesionales, incluidos geólogos, técnicos de construcción, otros ingenieros y los representantes de las agencias supervisoras, están plenamente comprometidos con el mismo propósito.

Subproductos / Residuos

No hay subproductos en la construcción de presas de relleno, aunque a veces se genera relleno para construir caminos de acceso y otras estructuras de soporte. El desperdicio también es mínimo o inexistente; La excavación del suelo sobrante y especialmente la roca es muy costosa, al igual que el transporte de estos materiales, por lo que los desechos se eliminan del diseño.

El futuro

Principalmente debido a preocupaciones ambientales, el diseño y la construcción de cualquier presa en el futuro será un proceso muy estudiado y controvertido. Sin embargo, las presas de relleno tienden a ser percibidas como más amigables con el medio ambiente porque están hechas de materiales terrestres y se integran mejor en el paisaje que las estructuras monolíticas de concreto. Las presas de relleno han demostrado ser soluciones útiles y menos costosas para satisfacer las necesidades humanas de suministro de agua, y las grandes mejoras en la tecnología de ingeniería han mejorado su historial de seguridad a fines del siglo XX. Aunque se deben considerar muchos costos y agendas en la construcción de represas, las represas de relleno han demostrado ser y continuarán demostrando ser aliadas en las necesidades de proporcionar agua potable, suministro de riego y control de inundaciones.