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GEOTECNIA APLICADA A OBRAS HIDRAULICASINTRODUCCION

TERMINOS RELACIONADOS

GEOTECNIAGEOMECANICAINGENIERIA GEOTECNICADEFINICIONES BASICAS

MECANICA DE SUELOS: Es la aplicacin de las leyes de la mecnica e hidrulica a los problemas de ingeniera que tratan con sedimentos y otras acumulaciones no consolidadas de partculas solidas producidas por la desintegracin mecnica o descomposicin qumica de las rocas (DR. Ing. KARL TERZAGUI)MECANICA DE ROCAS: Es el estudio teorico y practico de las propiedades y comportamientos mecnicos de los materiales rocosos, y de su respuesta ante la accin de fuerzas aplicadas en su entorno fsico Geologa Aplicada a la IngenieraEs la ciencia dedicada a la investigacin, estudio y solucin de problemas de la ingeniera y ambientales que surgen como resultado de la interaccin entre la geologa y las obras y actividades del hombre, as como la prediccin y desarrollo de medidas para la prevencin o remediacin de peligros geolgicos. (Estatutos de la International Association of Engineering Geology and the Environment, 1992).

EN GENERAL !! EL GEOLOGO DEBE TRADUCIR E INTERPRETAR HECHOS CIENTIFICOS OBSERVADOS O MEDIDOS QUE DESCRIBEN LAS PROPIEDADES O PARTICULARIDADES DEL CARCTER FISICO DE LA CORTEZA Y TRANSPASARLO A DATOS INGENIERILES (cuantificables) PARA DETERMINAR LAS CONDICIONES DE UN AREA DONDE SE CONSTRUIRA UNA OBRA CIVIL.METODOS DE ANALISIS Y MODELACION DEL TERRENO

El modelo geolgico representa la distribucin espacial de los materiales, estructuras tectnicas, datos geomorfolgicos e hidrogeolgicos, entre otros, presentes en el rea de estudio y su entorno de influencia.

El modelo geo mecnico representa la caracterizacin geotcnica e hidrogeolgica de los materiales y su clasificacin geo mecnica.

El modelo geotcnico de comportamiento representa la respuesta del terreno durante la construccin y despus de la misma.

MARCO TEORICO

MARCO TEORICO1.- Consideraciones Bsicas:Es constante el incremento del uso de obras hidrulicas que se construyen actualmente en el mundo. Cuyas condiciones geotcnicas son pobres en su aspecto resistente. Explotacin que en el campo tensional supone el aumento de altura de la obra, las condiciones estabilizan de los contornos de apoyo y tienen que basarse en un profundo estudio de comportamiento del conjunto obra cimiento agua. Entre las tres etapas por las que es necesario para llegar a la realizacin de tales obras son:Observacin de las obras existentesBase tcnico terica de la estimacin de su estabilidadProyecto de la obra nueva.Caractersticas de los suelos:La planificacin del reconocimiento o estudio del suelo, tiene dos condicionantes: el conocimiento del suelo y el de la estructura a ejecutar sobre l.Los datos ms importantes a obtener del suelo son: Agentes de formacin de los estratos. Espesores aproximados de los mismos. Tamao mximo de las partculas. Nivel de la capa fretica

El condicionante referido a la construccin a realizar implica conocer o tener los elementos para valorar la estructura, su superficie, costo, destino, materiales de construccin a utilizar, asentamientos aceptables, cargas por columnas y distancia entre stas ltimas. La cantidad y tipo de sondeos o perforaciones a ejecutar dependen de estos condicionantes; aunque existen normas indicativas sobre este tema, el primer reconocimiento determinar, si existen problemas geotcnicos, la realizacin de un estudio ms exhaustivo. El acceso a los lugares que se desea estudiar se puede hacer por mtodos a cielo abierto, aquellos en que una persona puede acceder a la observacin in situ del perfil del suelo, o por medio de perforaciones con equipos manuales o mecnicos.

En todos los casos es necesario extraer muestras para realizar los ensayos de campo o de laboratorio, con los que se obtendr la informacin necesaria para determinar el comportamiento del suelo.Para el desarrollo adecuado de un estudio de suelos es necesario tener en cuenta las siguientes propiedades: Vinculadas con la resistencia: Fundamentalmente con la resistencia al corte, est conformada por dos factores: Friccin internaCohesin

Vinculadas con las deformaciones: PlasticidadElasticidadCompresibilidadVinculadas con el agua en la masa de suelo: PermeabilidadCapilaridad

b) CARACTERSTICAS DE LAS ROCAS:Resistencia a la Tensin:La resistencia a la tensin es el esfuerzo tensional por unidad de rea a la que el material falla (se rompe) por fracturacin extensional. Esta propiedad, que es una indicacin del grado de coherencia del material para resistir fuerzas tirantes, depende de la resistencia de los minerales, del rea interfacial entre granos en contacto y del cemento intergranular e intragranular.Tabla 5. Resistencia a la tensin (Mpa) de algunas rocas (de Touloukian y Ho, 1981).Basalto8.6Conglomerado29.7Calizas4.25.8Arenisca1.11.7Arenisca calcrea4.3Esquistos3.1

RESISTENCIA A LA FLEXIONLa resistencia a la flexin, o mdulo de ruptura, es la resistencia de un material a ser doblado o flexurado. La medida de esta propiedad se realiza con barras de material asentadas sobre dos pivotes y aplicando carga sobre el centro de la barra.

2. PROYECTO GEOTECNICO:El proyecto y la construccin de una obra hidrulica presenta problemas especiales que requieren de gran conocimiento de varias ciencias: topografa, geologa, geotecnia, hidrulica, ingeniera ssmica, ingeniera de materiales, etc.Es uno de los tipos de obra que ms satisfacciones tcnicas puede dar y requiere, quizs como ninguna, la colaboracin de casi todas las especialidades de la ingeniera.

ETAPAS DE INGENIERIA DE UN PROYECTO DE OBRA HIDRAULICAETAPA DE FACTIBILIDAD: PROSPECCIONES Y ENSAYOS:LEVANTAMIENTO GEOLOGICO:Levantamiento de estructurasRecopilacin de muestras

GEOFISICASsmica de RefraccinSsmica de RefleccinMtodo Gravimtrico

CALICATASPozos GeotcnicosZanjasPozos Yacimientos

ENSAYOS EN SUELOSEstratigrafaPenetracin Estndar, SPTCono EstticoPermeabilidad LefrancToma de muestras (clasificacin, triaxiales, consolidacin, corte directo, etc.)Control de Nivel Fretico

ENSAYOS EN ROCAEstratigrafaPermeabilidad LugeonOrientacin de TestigosObtencin de Testigos (compresin. uniaxial, triaxiales, corte transparente, rayos X, etc.)Calicatas y ZanjasGeotcnicas

b) ETAPA DE CONSTRUCCIN: ENSAYOSControl granulomtrico (cumplimiento de bandas pre-establecidas)Control de Compactacin de los rellenos a travs de ensayos de Densidad In-SituControl de la Permeabilidad In-Situ y ensayos Lefranc en sondajesControl del Mdulo de Deformacin a travs de ensayos de placa de carga y celdas de presinControl de resistencia a travs de sondajes y ensayos SPT y Cono EstticoControl de los ridos (humedad de llegada, absorcin, Desgaste Los ngeles, etc.)DosificacinControl asentamiento de conoControl de la resistencia en probetasControl de la resistencia en testigos e hormignSondajes para la ejecucin de ensayos de permeabilidad LefrancCortinas de impermeabilizacin3. OBRAS HIDRAULICAS: TIPOLas infraestructuras de regulacin hdrica y en particular las grandes presas, constituyen una de las tipologas esenciales de la ingeniera civil. La regulacin de los recursos hdricos es una funcin bsica del proyecto, que de forma ordinaria est vinculado a otras funciones: abastecimiento, regado, refrigeracin, produccin energtica, regulacin de avenidas.El objetivo primordial es almacenar grandes cantidades de agua para diferentes propsitos:Riego.Abastecimiento poblacional.Generacin de energa hidroelctrica.Control de inundaciones.Para recreacin, pesca, actividades deportivas.Usos mltiples.TIPOS:Canales, que pueden constar de diversos elementos como por ejemplo:

Bocatomas de derivacin.Compuerta de entrada.

b) Presas, que pueden constar de las siguientes partes:

Vertedero o aliviadero.Descarga de fondoCompuertaEstribosObras provisionales durante la construccin.

c) Sistema de abastecimiento de agua potable

Por Gravedad

Por BombeoY dems obras como:

d)Sistema de recogida de aguas residualese)Sistemas de riegof)Sistemas de drenajeg)Defensas ribereash)Recarga de acuferos, Pozos de absorcin.i)Trasvase de cuencaESTUDIOS GEOLOGICOS Y GEOTECNICOS PARA OBRAS HIDRAULICAS

Los estudios que se tienen en cuenta generalmente son:1.- Estudio Hidrogeolgico. 2.- Estudio topogrfico. 3.- Estudio geolgico. 4.- Estudios geotcnicos. 5.- Estudios econmicos. 6.- Estudios de Impacto ambiental.Dentro de los Estudios Geolgicos y Geotcnicos podemos encontrar:

a)ENSAYO DE IDENTIFICACION

Bajo este epgrafe incluimos todos aquellos ensayos cuya misin es clasificar las tierras y esclarecer la composicin mineralgica o estructura atmica de los suelos finos, entre ellos se encuentran:Limite de AtterbergGranulometraAnlisis qumico en general Anlisis petrogrficos Anlisis trmico diferencial Difraccin por rayos XCapacidad de cambio de basesEspectroscopia por rayos infrarrojos

Los tres primeros son los ms interesantes para el ingeniero, suficiente, en general, para sus propsitos. Solamente en casos especiales es preciso recurrir a los enumerados en ltimo lugar, por ser suficientemente conocidos los primeros ya que son tcnicas muy especializadas.

b) DENSIDAD Y HUMEDAD (COMPACTACIONES)

Las grandes ventajas que ofrecen los mtodos nucleares, en especial los derivados de la rapidez de las medidas, la menor interferencia en la construccin de la obra, y la no destructividad de estos ensayos, ha provocado una creciente aplicacin a la construccin de presas de material suelto.El control de compactaciones se realiza en Espaa, con los clsicos ensayos PROCTOR NORMAL Y MODIFICADO. No obstante, dado los diferentes grados de humedad que requiere las modernas y pesadas maquinarias de consolidacin diferente de la optima del ensayo PROCTOR, y normalmente del lado seco, suelen complementarse con toma de muestras inalteradas y exigir unas caractersticas determinadas de resistencia.

c) PERMEABILIDAD

Se realizan normalmente los ensayos siguientes: Permeabilidad IN SITU (carga constante y variable) Permeabilidad indirecta (edmetro y triaxial) Permeabilidad directa (carga constante y variable)

d) COMPRESIBILIDAD Y ENDURECIMIENTO

Las variaciones de volumen de los suelos naturales o artificialmente compactados en las diversas condiciones de humedad y presin, se determinan en laboratorio mediante los clsicos ensayos endometrios. Se estudian con especial inters los cambios volumtricos destinados a los ncleos impermeables de las presas de escollera, o de tierras con zonas diferenciadas.Las determinaciones IN SITU en terrenos cuarentes de cohesin o de grano grueso, se efectan con los ensayos de carga con placas de diferentes dimetros, entre 30 y 75 cm.

e)RESISTENCIA AL ESFUERZO TANGENCIAL

Los siguientes ensayos son de prctica corriente en laboratorio. Triaxiales rpidos sin consolidacin ni drenaje.Triaxiales rpidos con consolidacin previaTriaxiales lentos Compresin simple Corte directo

En la determinacin de los parmetros que define la lnea de resistencia intrnseca de los suelos, existe la tendencia acusada de a igual formaque hemos indicado al hablar de la permeabilidad, a considerar diferentes presiones de saturacin hasta la mxima que la obra va soportar. Se estudia, asimismo, con detenimiento, la variacin de los coeficientes A y B de presin intersticial, para estimar el efecto de la supresin, en especial en los regmenes transitorios de la construccin de la obra, o en desembalses ms o menos importantes.

RECONOCIMIENTOS GEOLOGICOS E INVESTIGACIONES: IN SITU

1.CRITERIOS GENERALESLa seleccin del emplazamiento de una presa, por ejemplo, depende fundamentalmente de los siguientes factores: Capacidad del Vaso (volumen de embalse). Impermeabilidad del vaso. Cerrada adecuada: condiciones geomorfolgicas, geolgicas y geotcnicas favorables. Valor de los terrenos inundados (poblaciones, infraestructuras, etc.). Disponibilidad de materiales de construccin prximos a la presa. Condiciones favorables para ubicar el aliviadero, ataguas y adems obras auxiliares.

Una vez determinada la ubicacin ms adecuada para el cierre del valle (de las varias alternativas seleccionadas en principio) se procede a seleccionar el tipo de presa en el denominado estudio de solucione, donde se analizan detalladamente los posibles tipos de presas desde mltiples puntos de vista, destacando el geolgico. Los factores a tener en cuenta en este anlisis son los siguientes: Altura prevista de la presa. Geomorfologa de la cerrada. Disponibilidad de materiales de construccin Condiciones geolgico - geotcnicas de la cimentacin. Ausencia de riesgos geolgicos activos.

Con respecto a la altura de la presa es significativo que ms del 80 % de las presas construidas de menos de 30 m de altura son de materiales sueltos, y que a partir de 150 m de altura el 80 % son de hormign, de las cuales el 50 % son de arco. Estos datos responden a varias razones, entre las que destacan las geomorfolgicas. Los valles amplios solo admiten presas de poca altura, resultando las presas de materiales suelos las mas econmicas (siempre que se disponga de materiales adecuados, mientras que en los valles estrechos o muy estrechos suelen construirse presas altas, lo que favorece a las soluciones de presas de gravedad (arco y bveda).De forma resumida se pueden sealar los siguientes problemas geologico-geotecnicos asociados a las presas, embalses y sus estructuras auxiliares:

Cerrada. Deformabilidad, resistencia y permeabilidad de las cimentaciones y estribos. Vaso. Estabilidad de las laderas, estanqueidad, acumulacin de sedimentos y sismicidad inducida.Canteras y prstamos. Calidad y volumen disponible de materiales para la construccin. Alinaderos. Estabilidad de los taludes, permeabilidad y resistencia de los macizos de cimentacin de las estructuras en hormign y erosionabilidad del terreno. Canales. Estabilidad de los taludes, racionabilidad y ripabilidad de los material es y cimentacin de los rellenos. Central exterior. Estabilidad de los taludes, deformabilidad y resistencia de las cimentaciones. Central subterrnea. Deformabilidad, resistencia, permeabilidad y estado tensional del macizo. Galeras de desvi, desages de fondo y tneles. Estabilidad de la excavacin, deformabilidad, permeabilidad y estado tensional de los macizos.

2.CARACTERISTICAS DE LA CIMENTACION

La eleccin del tipo de presa depende en primer lugar de las condiciones de cimentacin. Cualquier tipo de presa de hormign exige que las deformaciones en el macizo rocoso sean compatibles con las del hormign; es decir, que no se superen ciertos niveles de deformacin no soportables por la estructura de la presa; as, no es posible cimentar este tipo de presas en suelos o rocas blandas. Tampoco una presa de hormign ser una solucin adecuada si la profundidad de la cimentacin requiriera una excavacin muy profunda (por presencia de materiales muy alterados o tectonizados en relacin con la altura de la presa); en estas situaciones el volumen de excavacin supondr un coste elevado.

Sin embargo, estas decisiones son complejas, ya que pueden presentarse varias alternativas. En algunos casos se han cimentado presas de hormign en rocas de baja calidad geotcnica a pesar de haberse efectuado excavaciones profundas y tratamientos de consolidacin del macizo.En general, cuando los macizos de cimentacin son muy deformables o de baja resistencia, la solucin ms adecuada es la construccin de una presa de materiales sueltos

DISPONIBILIDAD DE MATERIALES

El tipo de material influye en aspectos importantes como las condiciones de filtracin a travs del macizo y los tratamientos de este problema. Por ejemplo, dos presas de materiales de diferente tipologa, en una misma cerrada, pueden generar condiciones de filtracin muy diferentes en la cimentacin., con los espaldones de aguas arriba y de aguas abajo muy permeables. Los flujos de agua en cada ejemplo son completamente distintos en funcin de los distintos gradientes. El flujo en el caso b) es 5 veces ms alto, pues:V = kisiendo i = h/L, donde h es la altura mxima de agua en el embalse

RIESGO DE EROSION INTERNAOtro condicionante de la estabilidad y seguridad de las presas en relacin con las condiciones geolgicas es la erosin interna que se genera al crearse gradientes hidrulicos elevados en materiales erosionables. En estos casos hay que actuar bien disminuyendo los gradientes o bien incorporando en la estructura de la presa filtros y drenes adecuados a las condiciones hidrulicas. Reduciendo los gradientes disminuyen las fuerzas de filtracin, pudindose controlar el fenmeno. La construccin de filtros y drenes bien dimensionados impide la salida de los finos y los procesos de erosin interna.

CONDICIONES PARA PRESAS DE MATERIALES SUELTOS

El criterio ms influyente en las presas de materiales sueltos es la disponibilidad de materiales. Los ncleos impermeables precisan suelos de baja permeabilidad (en general inferior a 10-5 cm/s) y se descartan los suelos colapsables, orgnicos, solubles y de alta plasticidad.Con respecto a las caractersticas de la cimentacin cabe distinguir entre las presas de tierras y las de terraplenes o escolleras. Las primeras presentan un comportamiento generalmente flexible y transmiten bajas cargas al terreno. Sin embargo, los suelos aluviales flojos, zonas muy alteradas, acarreos y, en general, depsitos de baja resistencia, no son aceptables como terreno de cimentacin. En cualquier caso es importante identificar la presencia de superficies de cizalla (slickensides), frecuentes en suelos duros o sobre consolidados. Las presas formadas por pedraplenes o escolleras tienen un comportamiento ms rgido y transmiten mayores tensiones a la cimentacin.

CONDICIONES PARA PRESAS DE HORMIGON

Las presas de gravedad precisan de un macizo rocoso de buena calidad para su cimentacin, de forma que proporcione a la presa la suficiente seguridad frente al deslizamiento, y cuya deformabilidad sea compatible con la rgida estructura de una presa de hormign. Estos requisitos suponen apoyar la presa en macizos de elevada resistencia, cuyos pianos de discontinuidad o debilidad ms crticos a la estabilidad tengan ngulos de rozamiento interno altos. En la mayora de los casos se precisan excavaciones para eliminar la zona alterada o menos resistente del macizo, cuya profundidad puede tener gran influencia en el estudio de soluciones.