U.N.N.E.- FACULTAD DE INGENIERÍA - MAESTRÍA EN CIENCIAS DE LA INGENIERÍA FENÓMENOS DE TUBIFICACIÓN EN PRESAS PEQUEÑAS DE TIERRA Ing. Manuel Rayano1 1. Resumen Se describen los procesos erosivos conocidos como tubificación retrógrada, y tubificación en suelos dispersivos. También los asociados de levantamiento o “reventón” de suelos y la ruptura hidráulica. En el caso de estructuras hidráulicas adicionadas a la presa (obras de toma, descargadores de fondo, vertederos) las diversas protecciones utilizadas, se han puesto en discusión últimamente al cuestionarse el paradigma de “las múltiples líneas de defensa”. Se observa un avance hacia un sistema integrado donde los filtros de aguas abajo, correctamente diseñados, sirven a los fines de protección de deslaves de suelos finos, permitiendo el sellado de las grietas y fugas eventuales. Muchas veces han evitado las fallas de las presas al permitir la evacuación ordenada (sin provocar erosión) de los caudales que sobrepasan las pantallas y delantales. Estos procesos en nuestra región han conducido a la ruina de obras hidráulicas y a la erosión de terraplenes y estructuras de tierra. 2. Introducción La tubificación puede erosionar tanto los terraplenes de las presas como los sitios de paso de las estructuras de hormigón, socavando los terraplenes o sus fundaciones, y tanto desde aguas abajo hacia aguas arriba como a la inversa. Se tratan en el informe temas que hacen a las medidas correctivas y de control y a la determinación del gradiente de salida. 2.1 La fuerza de filtración y el gradiente crítico Un flujo de agua surge por una diferencia de energía (dada por la carga o diferencia en el nivel de agua) entre dos puntos. Gradiente hidráulico es la diferencia de carga de agua entre dos puntos, dividida por la distancia (trayectoria) entre los mismos (i= h / L). El flujo ejerce en un nivel dado de una masa del suelo además de la presión hidrostática, otra (= h*γagua, Figura 1) que se debe exclusivaγ mente a la carga hidráulica. Esta es la presión de filtración: pf= h * γagua= i*L* γagua γ 1 E-mail: [email protected] 1994) Figura 1 El flujo tiende a ejercer presión sobre las partículas del suelo. tienen sentidos opuestos. es el peso sumergido del suelo la principal fuerza en sentido opuesto. cuando el agua penetra en el suelo tiene el mismo que el del peso de las partículas. la velocidad. puede arrastrarlas en el sentido de la corriente (Figura 2). Las fuerzas que se oponen al arrastre del flujo es la trabazón entre las partículas (estructura) y su cohesión. Cuando el área de la sección transversal está restringida. el doble del peso específico del agua ( γ sumergido = γ saturado − γ agua ). definida por unidad de volumen. Se llama gradiente hidráulico crítico al que resulta del perfecto equilibrio entre estas fuerzas. de forma de que salga (aguas abajo de la presa) sin provocar erosión (tubificación y sufusión2) que ponga en riesgo la estructura. en cierta forma. El sentido de la fuerza de filtración sigue el de las líneas de flujo. y en su origen. A. al menos en suelos sin cohesión.Filtración (Simon. La energía debe disiparse lo suficiente por fricción y otras pérdidas a través de esa trayectoria. considerando el peso sumergido del suelo. la fuerza de filtración y el gradiente aumentan. 2 . como debajo de los tablestacados. y la fuerza de filtración actuante. al emerger aguas abajo. y allí no existe masa alguna que se oponga a la erosión. El gradiente crítico es aproximadamente igual a 1. En cambio. pero al emerger aguas abajo de la presa. Fuerzas de Filtración Figura 2 Una presa es. 2 Glosario Mínimo. En una presa de tierra el gráfico de las líneas de filtración debajo de la presa sería similar. al final. pero la erosión se ve impedida por la masa del suelo. un impedimento interpuesto en la corriente para que el agua pase por debajo de ella. puesto que el peso saturado de los suelos es aprox. siguiendo preferentemente el camino de concentración de las líneas de filtración. ven disminuidas sus fuerzas de atracción molecular por efecto de la presencia de iones de sodio. desde aguas abajo hacia aguas arriba. por planos de estratificación permeables. 3.1. si el peso del suelo resultaba insuficiente para contener el movimiento ascendente del suelo bajo el efecto de la fuerza de filtración. donde la energía llega sin sufrir grandes pérdidas debidas a la fricción (Figura 3).2. Terzagui (Terzagui-Peck 1973) recomendó la construcción de un “filtro invertido cargado” (materiales gruesos arriba). incrementando el factor de seguridad. 1979) Figura 3 3 . Tubificación Retrógrada (Marsal-Reséndiz. Determinadas condiciones como flujos de agua pura (agua de lluvia). Tipos de tubificación 3. 3. activan y aceleran el proceso. siendo superiores a las de atracción de Van der Walls. colocado en la zona donde emergen las líneas de corriente en forma concentrada (inmediatas al tablestacado). El proceso degrada los suelos con alto contenido de sodio debido al arrastre (dispersión o defloculación) de coloides. denominado “crítico”. en el momento de alcanzarse un determinado gradiente. evite el sifonamiento. de tal forma que su peso. Este fenómeno “puro” se presenta en arenas finas (por su estructura más débil).2.2. lo que las vuelve susceptibles al arrastre o dilución. El conducto se forma por las zonas geológicamente más débiles. o en cualquier otras zonas de concentración del flujo. Levantamiento En los primeros estudios se analizaron “reventones” donde la arena entraría en “ebullición” provocando el colapso de la obra. incluso con cargas nulas o muy pequeñas de agua. Los cationes Na+ aumentan el espesor de la doble capa y las fuerzas eléctricas de repulsión. Tubificación retrógrada La tubificación retrógrada se puede producir en prácticamente todos los suelos (en los no cohesivos si algún estrato o estructura impide el desmoronamiento del túnel). con bajos contenidos de sales. que lleva a veces a la ruina de las obras. Dispersión Se denomina así al proceso por el cual las partículas de arcilla de muy pequeñas dimensiones. 1975) Figura 4 A las contracciones y secado como el origen de fisuras pueden agregarse diferencias en compactación producidas por el paso de los rodillos. Fractura hidráulica Consiste en la brusca irrupción del agua a través de las grietas de los terraplenes. Aún el mismo peso de la presa puede cerrar las tubificaciones incipientes. en contactos con la fundación o con los conductos. sugiere la forma de “jarras” (sinkholes en inglés. Se producen porque el agua de lluvia penetra (y erosiona) por pequeñas fisuras abiertas por contracción o raíces de plantas. (Figura 4). El agua ejerce presión sobre la fisura abriéndola progresivamente. cuando el nivel del reservorio alcanza algunos metros (2 a 3) sobre ellas.3. la presión hidrostática puede ser superior a la presión total. principalmente durante el primer llenado del embalse o al producirse alguna variación brusca de su nivel. ejerciendo subpresiones (fuerzas dirigidas de abajo hacia arriba) y presiones en todas direcciones. que al inicio son verticales y luego se desarrollan horizontalmente. con bocas estrechas y cuerpos de mayores diámetros.3. Figura 5 y Figura 6).. pero. bajo los efectos de la carga hidráulica. Hay muy pocos casos de tubificaciones por debajo de sus cimientos. Ruptura hidráulica (Jiménez S. 4 . Sumideros (Perry. Pozos o Sumideros La morfología de los túneles.4. 3. Son característicos de las arcillas dispersivas. Estas grietas internas pueden estar cerradas. Justo A. 1987) Figura 5 6 Posibilidad de tubificaciones dispersivas en los cimientos En general las tubificaciones (debidas a suelos dispersivos) se presentan en el cuerpo de la presa: en sus paramentos. Al parecer las aguas subterráneas con altos contenidos de sales impiden el lavado de los iones sodio en las arcillas dispersivas. y el reemplazo gradual por aguas más limpias procedentes del reservorio permite que los suelos disminuyan su contenido de sodio en el agua de poro. E. Aparentemente un deficiente bombeo provocó un lavado de finos que hizo perder estabilidad a las zapatas de la estructura. al aparecer manantiales en su margen izquierdo. que llevó a la necesidad de la reparación mediante la técnica del “Jet grouting”. el colapso de la obra se dio. como causa más probable. acceso al Pte. Figura 6 En el caso de la rotura del antiguo dique del Río Negro resultaron afectados 15 mil damnificados. En el antiguo dique regulador del Río Negro (Figura 7). ubicado en las proximidades a su desembocadura en el Paraná. las tubificaciones más graves se dieron en las obras hidráulicas de control (Sistema de Defensas. La acción dispersiva provocó el desalineamiento de la vertical de la iluminación en el acceso al Puente Gral. las fuerzas de filtración (gradiente) y los caudales pasantes. Resistencia). dejando sometida a flexión a la estructura. Se evitó con ello el colapso. Sin embargo. Chaco Corrientes). y erosiones en las alcantarillas. Belgrano. 1999) Algo similar ocurrió en la obra de control ubicada en Laguna Blanca.7. a un costo extremadamente elevado. Hidráulicas. tanto en presas de tierra como en terraplenes (Figura 6. por sifonamiento con arrastre de finos. Dique Regulador del Río Negro (1979-1982) Figura 7 (Trabajo de cátedra Constr. 8. • La red de flujo proporciona un medio teórico de interpretar las subpresiones. tanto en suelos granulares como en cohesivos. Casos en nuestra región En la Provincia del Chaco son muy numerosos los casos de tubificaciones. Conclusiones Las tubificaciones pueden prevenirse mediante los criterios adecuados de diseño. La seguridad de la presa depende 5 . 1966. 9. R. Madrid. Geotecnia y cimientos. Mecánica de Suelos. Ed. Vallarino. se deberán adoptar criterios conservadores (como el de Lane). debido a las probables tubificaciones superficiales y en los terraplenes. 1979.. H. incluyendo el dren chimenea. J.a) Trends and debatable aspects in embankment dam engineering. 1992. • El criterio de confiar y considerar al filtro de aguas abajo como la principal línea de seguridad de la presa parece más razonable que el antiguo de múltiples líneas de defensa. CICCP. Jiménez S. Marsal. Drainage and Flow Nets. Simon. Sotelo. Sherard.. ASCE. Limusa. A. Madrid. Mecánica de Suelos en la ingeniería práctica. E. 10. 4. J. Seepage. 9. 5. Méjico. Limusa.. y calcular los valores mediante fórmulas aproximadas. 3. N. Lambe. 1970. b) Hidraulic fracturing in dams. Comportamiento de Suelos Dispersivos.L. Bs. & Sons. Justo A. 7. Tratado básico de presas. Exige un diseño cuidadoso de todos los filtros y drenes de la presa. 6. As. 1998. UFRGS.pp455-481. ASCE NY. R. Hidráulica Práctica. Terzagui y Peck. Los riesgos son mayores. 1975. que impidan o aseguren el autosellado de las fisuras potenciales. 1973. 1992. Cedegren. 8. 11. GSP32. El Ateneo.. con adecuadas medidas de control. Presas de Tierra y Enrocamiento. Porto Alegre.L. D. 2. Bibliografía Consultada 1.Y. J. 1994. 6 . AS. México. Bs. Monografía Cátedra de Construcciones Hidráulicas. TII.W. Inédito. NY. Reséndiz. GSP32. Rueda. 1999. Sherard.de que los valores obtenidos estén dentro de rangos seguros.. 1994. Limusa. De no poder determinarse. Trabajo de Tesis. Alumnos varios. • Los suelos dispersivos pueden utilizarse cuando no existan otros disponibles. El control en obra de estas medidas de seguridad es clave.