Resumen de Análisis de la reptación en presas con escollera de baja resistencia
Hoy en día, en España, existe una gran cantidad de presas de todo tipo, de las cuales aproximadamente el 60% son de materiales sueltos. El hecho de la gran aceptación y construcción de este tipo de estructuras en la última década se debe a los bajos costes obtenidos (presa del Yeguas, Canales, etc.), caso de que se puedan utilizar los materiales rocosos existentes en la región, y a las menores limitaciones de carácter geotécnico que presentan estas presas con respecto a las de hormigón, ya que pueden ser construidas en terrenos más deformables y menos resistentes.
Si la cantidad del material disponible y la condición de los yacimientos o canteras, es adecuada, dentro de las presas de materiales sueltos es de gran interés estudiar las denominadas de escollera. La escollera se define como un material compuesto de trozos de roca obtenidos mediante ripado o coladura, cuyos fragmentos, de tamaño variable entre varios centímetros y más de un metro, son de tipo angulosos. Si los trozos proceden de rocas blandas, este material presenta fundamentalmente dos importantes problemas: elevada deformabilidad y baja resistencia.
En la última década, se han producido grandes avances en el conocimiento de la deformabilidad de presas de materiales sueltos y en especial de las de escollera, teniendo gran interés en saber cuál es el fenómeno responsable de los movimientos, que provocan la pérdida de resguardo, la deformación del elemento impermeabilizante y el deterioro del aspecto estético de la presa. En presas con escollera de baja resistencia y en muchas presas de tierra, se considera a la reptación como la principal responsable.
La importancia de la pérdida del resguardo, se sostiene en el hecho de que, según Middlebrooks (1953), de 206 presas de materiales sueltos con comportamiento inadecuado hasta aquella fecha en los EE.UU. en 60 de ellas, el agua pasó por encima de la coronación. La imprevisión de la sobre-elevación de la coronación, al no ser conocido el asiento postconstructivo, fue la principal causa que provocó la ruina de estas preas. Por ello, casi siempre se dimensiona la parte superior de la presa con exceso de bombeo, o en caso contrario se coloca un muro de coronación para mantener el resguardo requerido.
Por lo que se refiere a la deformación del elemento impermeabilizante, la eventualidad de una fisuración o la aparición del fenómeno de sifonamiento sin agrietamiento previo, es uno de los temas que actualmente preocupa al proyectista de presas de materiales sueltos. Las causas de la fisuración o agrietamiento del elemento impermeable pueden ser diversas, pero las principales son debidas a la deformación diferida o de reptación del cuerpo de la presa, que tiende a descomprimir y provocar la aparición de tracciones en la parte alta y baja de la presa, a la mayor deformabilidad de los espaldrones de apoyo, a las deformaciones diferidas de la cimentación, etc.
El principal motivo por la que la parte más alta de la presa se comba, cuando es construida horizontalmente y las cargas por peso propio se mantienen constantes, es la presencia de movimientos diferidos o de reptación en la coronación. Esta comba, además de afectar al resguardo, produce un mal efecto estético de la presa, de modo que para evitarlo algunos investigadores como Sherard y colaboradores (1963) recomiendan dar a la coronación un bombeo equivalente al asiento de reptación esperado.
Los problemas que la reptación origina en presas de materiales sueltos conducen, por consiguiente, a la necesidad de estudiar las propiedades físico-mecánicas de los materiales que componen el relleno de la forma más idónea, para simular mediante modelos mecánicos el comportamiento de presas cuando existen movimientos de reptación y saber, por ejemplo en el caso de presas de pantalla, cuando se puede colocar el elemento impermeable, sin que esos movimientos causen un deterioro importante en ella.
Para que fenómenos como la reptación no causen el agrietamiento del elemento impermeable, materiales como la escollera deben de reunir ciertas cualidades consideradas ideales (elevada resistencia y baja compresibilidad) y que la roca este sana y debidamente compactada. Sin embargo, esto no suele ser posible en la construcción de presas de materiales sueltos, donde con frecuencia nos vemos obligados a utilizar rocas blandas o de abaja resistencia como esquistos, pizarras, areniscas friables y margas.
Cuando los materiales no reúnen las adecuadas cualidades, y se quiere estudiar las causas que provocan el agrietamiento del elemento impermeable y pérdida de resguardo de la presa, la herramienta analítica más poderosa de la que se dispone, es sin duda alguna, el Método de Elementos Finitos. Este método que es aproximado, se caracteriza porque reproduce las propiedades de los materiales y el proceso constructivo del relleno, y mediante la implementación de algoritmos matemáticos, es posible el estudio de fenómenos como la reptación de la escollera.
Los movimientos diferidos o de reptación que dependen de la variable temporal, pueden representarse favorablemente mediante leyes empíricas obtenidas de la observación del problema (introduciendo el tiempo como un factor artificial), o mediante modelos viscoelásticos. En presas con escollera se utilizan estos modelos, siempre que los desplazamientos y las tensiones calculadas teniendo en cuenta la reptación se ajusten a los obtenidos mediante los elementos de medida instalados en obra.
Dentro de los modelos viscoelásticos más utilizados en la aplicación de problemas que dependen de la variable temporal tenemos a los modelos Kelvin, Maxwell, Burgers, Bingham y Priscu. El primero fue elegido por Barden (1968) para estudiar la compresión unidimensional de la arcilla cuando existe consolidación secundaria, y el último, para simular el comportamiento visco-elastoplástico de la presa de Lesu.
La gran importancia que el fenómeno de la reptación tiene en presas con características geotécnicas especiales (elevada compresibilidad y baja resistencia de los materiales) llevaron a realizar esta Tesis Doctoral con la pretensión de contribuir a una mejor comprensión de la deformabilidad de presas, y con el fin de alcanzar los siguientes objetivos:
1.- Un modelo de análisis relativamente fácil que sea capaz de calcular los movimientos debidos a la reptación, y que de buenos resultados cualitativos con un esfuerzo computacional moderado.
2.- la comprobación de que la reptación es la principal causa de la pérdida de resguardo, el agrietamiento del elemento impermeable, la estabilidad interna, etc., de presas con escollera de baja resistencia, al representar una parcela importante de los movimientos postconstructivos.
3.- La estimación de los movimientos a largo plazo teniendo en cuenta la reptación de la escollera y el llenado del embalse, para prever los futuros movimientos postconstructivos y zonas de posible agrietamiento del cuerpo de la presa.
El logro de estos objetivos estará condicionado, por un lado, al conocimiento relativamente escaso que se posee sobre el fenómeno de la reptación en escolleras de baja resistencia y, por otro, a la implementación del modelo de análisis de este fenómeno en el Método de Elementos Finitos.
Por último, exponer que la realización de este Tesis no es un estudio aislado, sino la continuación de una línea de investigación que se mantiene en el grupo Ingeniería del Terreno del Departamento de Mecánica de los Medios Continuos de Sevilla en presas de materiales sueltos.
Para obtener presas estables y con propiedades de deformación compatibles con la función del relleno, es fundamental que la escollera colocada en el cuerpo o en los espaldones, reúna las mejores cualidades (elevada resistencia y baja compresibilidad). Pero, como estas cualidades no suelen ser a veces posibles de obtener debido a la presencia de materiales de baja resistencia que proceden de rocas de consistencia de variada o blanda, se debe analizar en primera instancia las propiedades físico-mecánicas de estas rocas.
Por ello, en el capítulo I se exponen los resultados obtenidos de ensayos de laboratorio realizados a escolleras utilizadas en la construcción de presas como el esquisto, la pizarra y la grauwacka. Se analiza la influencia que pueden tener estas propiedades en la compresibilidad, en la resistencia y en el comportamiento de la presa. También se realiza una introducción en este capítulo de la naturaleza y el comportamiento de la reptación, así como de la necesidad de estudiar este fenómeno en presas de escollera. Por último, se exponen los antecedentes de uso de los modelos viscoelásticos en la simulación de fenómenos que dependen principalmente de la variable temporal.
Por otra parte, la influencia que las propiedades físico-mecánicas pueden tener en el comportamiento de estructuras bi y tridimensionales ha permitido que se formulen varios modelos de cálculo. Estos modelos que representan ecuaciones matemáticas y sus parámetros interpretan el fenómeno físico, en especial los llamados viscoelásticos, son importantes para el estudio del fenómeno a analizar en esta Tesis, por lo que en el capítulo II se hace un resumen de los modelos unidimensionales más conocidos de acuerdo con la experiencia que se tiene en el estudio de la compresibilidad de presas de materiales sueltos.
Teniendo en cuenta las propiedades de la escollera y los modelos de cálculo disponibles para el análisis estructural de presas, se estudia en el capítulo III, la manifestación de la reptación en materiales como la pizarra de la presa de Martín Gonzalo y el esquisto de la presa de Beliche. Para ello, se analiza el comportamiento de los asientos, las deformaciones, los módulos de deformación, las velocidades de asiento o deformación, etc., en función de la variable temporal, la presión, la precipitación, etc.
Seguidamente, se formula un modelo viscoelástico para representar la compresión edométrica de presas cuando existe reptación, y se propone un modelo de análisis para cuantificar los movimientos postconstructivos que se suponen obedecen a unas características observadas en el comportamiento tensión-deformación-tiempo de los materiales componentes de la presa. De estudios estadísticos realizados una vez depurados los datos considerados erróneos, se obtienen los parámetros definitivos para la aplicación del modelo propuestos en el análisis estructural de las presas a auscultar en el Capítulo V.
Con respecto al análisis estructural de presas de materiales sueltos que son estructuras tridimensionales, es imprescindible utilizar un método de cálculo que incorpore, además del peso propio de cada tongada, el problema de la reptación y el llenado del embalse. Para ello, en el capítulo IV se exponen brevemente las hipótesis básicas del Método de Elementos Finitos, los elementos finitos que se van a emplear en la discretización del dominio y contorno de la presa, y las técnicas de simulación del proceso constructivo, llenado del embalse y reptación de la escollera.
En lo que respecta al capítulo V, el modelo de análisis propuesto se aplica a dos tipologías de presa (Martín Gonzalo y Belinche), y bajo diversas hipótesis de cálculo, se comparan durante y después de terminada la construcción de la presa los corrimientos, las tensiones y las deformaciones teóricas con las medidas mediante los elementos de auscultación. Por último, en el capítulo VI, se resumen el trabajo desarrollado y se obtienen las principales conclusiones derivadas de él, exponiéndose las líneas futuras de investigación.
