MDOC B 4 6 26-09-2016_LARS.docx

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE BTENCIÓN Y ANÁLISIS DE INFORMACIÓN GEOLÓGICA B.1.2 OBTENCIÓN Y

MANUAL

DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES

CAP. B.4.6 DISEÑO DE PRESAS SECCIÓN B: GEOTECNIA

DE HARDFILL

TEMA 2: MECÁNICA DE SUELOS

MÉXICO 20!

© 2015, COMISIÓN FEDERAL DE ELECTRICIDAD

RÍO RÓDANO NÚM. 1, COL. CUAU!T"MOC M"#ICO D. F. F. C. $. $. 0%5&'

© 2015, COMISIÓN FEDERAL DE ELECTRICIDAD

RÍO RÓDANO NÚM. 1, COL. CUAU!T"MOC M"#ICO D. F. F. C. $. $. 0%5&'

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE BTENCIÓN Y ANÁLISIS DE INFORMACIÓN GEOLÓGICA B.1.2 OBTENCIÓN Y

Dr. Enrique Ochoa Reza Director General

Ing. Benjamín Granados Domínguez Director de Proyectos de Inversión Financiada

Ing. César Fernando Fuentes Estrada Subdirector de Proyectos y Construcción

Dr. +osé Ram%n ,arro Ro*!es Rector

Dr. Eduardo B#rzana García Secretario General

Ing. $eo&o!do )i!va Gutiérrez Secretario Administrativo

Dr. César Iv#n (studi!!o Re-es Aboado General Ing. Evert irgi!io "ern#ndez $%&ez Coordinador de Proyectos Hidroeléctricos

Ing. 'arco (ntonio Ocam&o )#nchez Coordinador de Proyectos Termoeléctricos

Ing. Federico Gui!!ermo I*arra Romo Coordinador de Proyectos de Transmisión y Transformación

Dr. Car!os (r#m*uro de !a "oz Coordinador de la Investiación Cient!fica

Dr. (da!*erto ,o-o!a Ro*!es Director del Instituto de Inenier!a

SECCIÓN: TEMA: CAP"TULO:

B. GEOTECNIA 4. DISEÑO DE PRESAS 6. PRESAS DE HARDFILL

!() *(+--*(/ )  (*34

ELABORACIÓN D#. $%&' M&'%() M&*+#&) V,))& 2 D#. M,-%() P(#+ R+/+ O#-&',1&2 D#. H%/(#1+ M&#('-+ M+-+))3'  D#. R,-+(#1+ R,(#& C+'1&'1,'+  M. I. $%&' ( D,+ A)(/5' V()5%(7 M. I. A/3 D8&7 B&##,-& C&&)(  M. I. Ó9&# L%'& G+'75)(7  REVISIÓN M. I. $%&' ( D,+ A)(/5' V()5%(7 M. I. Ó9&# L%'& G+'75)(7  D#. R,-+(#1+ R,(#& C+'1&'1,'+  COORDINACIÓN D#. H%/(#1+ M&#('-+ M+-+))3'  D#. A&)(#1+ N+*+)& R+)( 2 D#. M&'%() $. M('+7& L3;(72 M. I. A/3 D8&7 B&##,-& C&&)(  I'-. G%1&+ A#,7% L&#& En la realización de este capítulo del MDOC-CFE colaboraron personal técnico de la Comisión Federal de Electricidad 1 , personal académico del Instituto de Ingeniería  !"#M $ % el &ubdirector de 'ro%ectos % Construcción de CFE cuando se elaboró este capítulo(

(GR(DECI'IE,O)

L( C6--7) F/+( / E+--/(/ 8  I)-4 / I)9)-+3( / ( U)-:+-/(/ N(-)( A47)6( / M;<- (9+(/) ( (=+(-7) )  /(++ /  (*34 (>

)ECCI/,

B.

GEOEC,I(

E'(

0.

DI)E1O DE 2RE)()

C(234$O

5.

"(RDFI$$

CO,E,IDO

2r%!ogo xi

2resentaci%n xiii

)im*o!ogía

xv

6. I,ROD4CCI/, "#" Descri$ción y caracter!sticas t!$icas de una $resa de %ardfill "#& Ti$os de $resas de %ardfill "#' Secuencia eneral de dise(o

7. '(ERI($E) 8 )4 C(R(CERI9(CI/, &#" Identificación de los materiales dis$onibles y estudios de bancos &#& +aterial $ara el cuer$o de la cortina &#' Pro$orción de la me,cla &#) .nsayes mec/nicos 2.4.1 Carga estática 2.4.2 Carga dinámica

&#)#' .nsayes en muestras de tama(o no convencional � Com$ortamiento esfuer,o1deformación Pro$iedades $ara dise(o del %ardfill

7

6 & ' )

: * * "" "" "' "' "' "0

;.

CRIERIO) GE,ER($E) DE DI)E1O

6:

'#" Selección del ti$o de $resa de %ardfill '#& Dise(o del cuer$o de la $resa

"* "* "&" &0 &2 &2

3.2.1 Fundamentos de diseño 3.2.2 Combinaciones de carga 3.2.3 Estabilidad global y geometría óptima 3.2.4 Estructuración del cuerpo de la presa

'#' .fectos tridimensionales 0. (,<$I)I) DE E)(BI$ID(D E=ER,( )#" Desli,amiento

7: &-

)#& Fuer,as en el contacto $resa1cimentación

'3

)#' Factores de seuridad

'&

>. (,<$I)I) DE E)(BI$ID(D I,ER,( ;; 0#" +étodos anal!ticos '' 0#& +étodos numéricos ') 0#' .fecto de la eometr!a del valle '0 0#) .sfuer,os m/4imos ante cara est/tica y s!smica '2 0#0 Deformaciones $ermisibles a corto y laro $la,o '2 0#2 Consideraciones $ara la estimación del com$ortamiento de la cortina durante la construcción5 $rimer llenado y o$eración '2 5. (,<$I)I) 8 DI)E1O )3)'ICO 2#" Consideraciones enerales 2#& .stabilidad en términos de esfuer,os y deformaciones de la cortina 6.2.1 !todos pseudo"estáticos 6.2.2 !todo pseudo"dinámico espectral 6.2.3 !todos en el dominio del tiempo 6.2.4 #eterminación de presiones $idrodinámicas

2#' .valuación de la res$uesta s!smica de la cara de concreto 2#) .valuación de los esfuer,os transversales en los $aneles de concreto 2#0 .stimación de las aberturas de las 6untas verticales y evaluación de los des$la,amientos a lo laro de la 6unta $erimetral 9

;? ''')3 )" )& )' )0 )2

2#2 .fecto de es$aciamiento entre 6untas en la res$uesta s!smica :. ()2ECO) CO,)R4CIO) DE DI)E1O *#" Condiciones $ara la cimentación de la cortina *#& Re7uisitos m!nimos en el dise(o de la cortina %.2.1 &nc$o de la corona %.2.2 'ordo libre %.2.3 (istema de drenes

@. I,)R4'E,(CI/, 8 'O,IOREO 8#" 9b6etivo de la instrumentación 8#& :ariables a monitorear ).2.1 #espla*amientos ).2.2 Es+uer*os y de+ormación ).2.3 E+ectos sísmicos ).2.4 Filtraciones y +ugas ).2., -emperatura

8#' Dise(o del sistema de monitoreo 8#) Ti$os de instrumentos 8#0 Prorama de monitoreo y reistro de datos

)* 0? 023 23 2" 2" 5; 2' 2) 2) 20 20 22 22 2* *3 *"

?. CO,RO$ DE C($ID(D

:>

6A. (84D() DE DI)E1O "3#" .6em$lo del dise(o $reliminar de una $resa de %ardfill de '3 m "3#& .6em$lo de revisión numérica de esfuer,os y deformaciones de la $resa REFERE,CI()

:: **

CO,E,IDO GE,ER($ DE$ '(,4($ Sección de Hidrotecnia5 Geotecnia y .structuras

11

""3

2R/$OGO Hoy la Comisión Federal de .lectricidad atraviesa $or un momento %istórico# Con la reforma enerética5 $romulada $or el Presidente .nri7ue Pe(a ;ieto5 la CF. se transformar/ en una em$resa $roductiva del .stado# Para estar a la altura de este desaf!o5 la CF. deber/ im$lementar randes cambios internos 7ue cum$lan un doble ob6etivo< %acer m/s eficiente a la Comisión y5 al mismo tiem$o5 aseurar 7ue cuente con las %erramientas y los recursos $ara moderni,arse5 a fin de seuir contribuyendo al desarrollo económico y social del $a!s# .l fortalecimiento de la CF. es fundamental $ara seuir aranti,ando el abasto de ener!a a $recios cada ve, m/s com$etitivos# .ste esfuer,o $asa5 sin duda5 $or la $romoción de la inversión $=blica y $rivada $ara el desarrollo de infraestructura5 la eneración de incentivos $ara la innovación y el desarrollo tecnolóico5 y la formación de ca$ital %umano es$eciali,ado# .n esta coyuntura de im$ortantes retos $ara el Sector .léctrico ;acional5 $ero también de randes o$ortunidades5 se inscribe la $resente obra# .l +anual de Dise(o de 9bras Civiles contribuye al cum$limiento de las ambiciosas metas $lanteadas $or la reforma y $or el Prorama ;acional de Infraestructura &3")1&3"85 7ue buscan im$ulsar no sólo el desarrollo de m/s y me6or infraestructura5 sino también la formación de cuadros técnicos altamente ca$acitados en el dise(o y construcción de estos $royectos# As!5 esta nueva edición del +anual elaborado $or la CF. y la >niversidad ;acional Autónoma de +é4ico $rovee los lineamientos de dise(o de todas las obras de inenier!a civil5 y lo %ace incor$orando los avances tecnolóicos y la e4$eriencia téc nica acumulada $or la inenier!a me4icana desde "-8'5 a(o en 7ue se editó el =ltimo manual#

13

Sin duda5 esta obra5 7ue con6unta elementos teóricos y $r/cticos de la inenier!a en los cam$os de la Hidrotecnia5 Geotecnia y .structuras5 constituye una referencia técnica obliada no sólo $ara los inenieros de la CF.5 sino $ara todos a7uellos encarados de construir obras de inenier!a civil en P.+.? y de$endencias del sector $=blico federal y local# Al iual 7ue su $redecesor5 este manual =nico en su ti$o ser/ de ran ayuda técnica $ara los inenieros de toda América @atina# uiero destacar 7ue con el +anual de Dise(o de 9bras Civiles5 la CF. refrenda su com$romiso con la formación de nuevos cuadros de inenier!a# .n efecto5 esta $ublicación est/ $ensada $ara ser consultada y utili,ada en las aulas $or nuestros estudiantes de inenier!a5 no sólo en el ramo civil5 sino en diversas disci$linas# Recono,co a 7uienes $artici$aron en la elaboración de esta im$ortante obra 7ue5 sin duda5 %abr/ de $ermitir 7ue la CF. avance en su ob6etivo de consolidarse como una em$resa cada ve, m/s com$etitiva y eficiente5 7ue enere de manera estable y a menores costos la ener!a eléctrica 7ue +é4ico re7uiere $ara su desarrollo# Dr. Enrique Ochoa Reza 2RE)E,(CI/, Para la Comisión Federal de .lectricidad BCF. es de la mayor im$ortancia mantener y me6orar el nivel de la inenier!a con 7ue desarrolla cada una de sus obras# Con este enfo7ue5 la Comisión $ublicó $or $rimera ve, el +anual de Dise(o de 9bras Civiles en "-2y en un $roceso de me6ora continua5 la CF. $rodu6o su revisión en "-8'# @a $resente edición actuali,a las versiones $revias e incor$ora ca$!tulos nuevos5 con una visión en la 7ue se incluyen los m=lti$les avances tecnolóicos alcan,ados en las =ltimas décadas# .l sino de cambio desde "-8' est/ asociado al uso de las com$utadoras en la vida cotidiana# As!5 sin menoscabo de la e4$osición de los conocimientos invariantes y los métodos de dise(o convencionales5 en la $resente versión del +anual se incluyen los $rocedimientos basados en los métodos numéricos com$utacionales5 discutiendo sus ca$acidades y limitaciones# .l +anual actual constituye una %erramienta de utilidad $ara 7uienes se dedican al dise(o de las estructuras civiles 7ue forman $arte de una central de eneración eléctrica5 o de un sistema de distribución eléctrica# Si bien este +anual sirve fundamentalmente $ara este fin como una ayuda $r/ctica $ara los inenieros de CF.5 se considera 7ue5 en eneral5 también ser/ =til $ara los inenieros civiles 7ue e6ercen su $rofesión en otros cam$os# Adicionalmente5 en la elaboración del +anual se %a $rocurado 7ue cum$la con una misión did/ctica5 al constituirse en un documento au4iliar $ara 7ue el estudiante de inenier!a se familiarice con los temas 7ue desarrollar/ en su vida $rofesional# .l +anual se divide en tres Secciones5 A< Hidrotecnia5 < Geotecnia y C< .structurasE a su ve,5 cada Sección se subdivide en Temas y Ca$!tulos 7ue a$arecen listados al final de esta entrea# Se %a orani,ado en fasc!culos o ca$!tulos se$arados5 con un formato 7ue $ermite consultas f/ciles y din/micasE cada ca$!tulo consta de ecomendaciones/ Comentarios y &yudas de diseño 0Eemplos# @os as$ectos teóricos y los métodos de dise(o referentes a cierto tó$ico5 6unto con la discusión de sus a$licaciones5 constituyen las Recomendaciones 7ue $ro$orcionan los elementos de información 7ue 6unto con el buen 6uicio del res$onsable de un $royecto5 $ermiten una solución conveniente inenierilmente# .n la nueva versión del +anual se %an incluido los Comentarios dentro de la e4$osición de las Recomendaciones5 distinuiéndolos sim$lemente con una ti$oraf!a diferente5 con ob6eto de redondear una $resentación en el 6usto luar donde se $recisan# @os e6em$los 7ue se 3

$resentan en las Ayudas de dise(o5 coadyuvan a la com$rensión de lo e4$uesto en las Recomendaciones# .l +anual fue elaborado $or académicos del Instituto de Inenier!a de la >niversidad ;acional Autónoma de +é4ico5 en colaboración con inenieros de la Subdirección de Proyectos y Construcción a la 7ue $ertenecen es$ecialistas de las Coordinaciones de Proyectos Hidroeléctricos5 Proyectos Termoeléctricos5 @!neas de Transmisión y Transformación5 y la Gerencia de .studios de Inenier!a Civil de la Comisión Federal de .lectricidad# .s de interés $ara la CF. difundir esta obra 7ue se %a consolidado como el manual de consulta en inenier!a civil m/s re7uerido no sólo en +é4ico5 sino también $or los inenieros de otros $a!ses de %abla %is$ana# Con la estrec%a y fruct!fera coo$eración lorada entre una de las m/s $restiiadas instituciones dedicadas a la investiación y la docencia del $a!s5 y la Comisión Federal de .lectricidad5 cuya misión es el suministro de electricidad con altos est/ndares de calidad al menor costo $osible5 $ara beneficio de +é4ico5 se %a lorado actuali,ar y com$lementar este documento de alto valor técnico y académico5 7ue ser/ de muc%a utilidad $ara el desarrollo de nuestra infraestructura eléctrica# Ing. César Fernando Fuentes Estrada Dr. (da!*erto ,o-o!a Ro*!es

5

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE B..% DISEÑO DE $RESAS DE !ARDFILL

)I'BO$OG3(

❑

/nulo de las caras de la $resa res$ecto a la %ori,ontal

β

!ndice de confiabilidad

γ

$eso volumétrico B;m '

γ az

$eso volumétrico del material de a,olve

γ h

$eso volumétrico del %ardfill5 B;m '

0

∆ ( σ 1−σ 3 )

diferencia de esfuer,os BPa

❑

error5 el cual refle6a la inca$acidad in%erente de $redecir y

ε1

deformación $roducida $or el esfuer,o S"

ε

deformación BJ

ε1

deformación a4ial

εv

deformación volumétrica

0

μ [ x ] = μ [ Fs ]

valor es$erado del FS

relación de Poisson densidad del aua

❑c, E coeficiente de correlación entre c5Ε ❑c, coeficiente de correlación entre c y φ ❑, E coeficiente de correlación entre φ, Ε σ 1

esfuer,os $rinci$ales

σ 2


σ 3


(σ − σ ) 1

3

esfuer,o desviador

desviación est/ndar σ [ x ] =σ [ Fs ]

desviación est/ndar de los FS obtenidos de la simulación

numérica 15


❑ A , B σl

esfuer,os en la base de la $resa Bm/4ima y m!nima resistencia lineal en el l!mite el/stico

σ oct esfuer,o octaédrico σp

resistencia Pico

H

fuer,a cortante total Bsuma de fuer,as %ori,ontales

M

suma de momentos res$ecto al centroide del cuer$o de la $resa

M SBO M a

suma de momentos s!smicos suma de momentos actuantes

M az

suma de momentos del em$u6e de material de a,olve

M hd

suma de momentos %idrodin/micos

M he

suma de momentos %idrost/ticos

M r

suma de momentos resistentes

M u

suma de momentos $or sub$resión

N

fuer,a normal Bsuma de fuer,as verticales

( N ∗e ) fuer,a normal e4céntrica ❑res fuer,a de resistencia ❑act fuer,a actuante ❑h /nulo de fricción interna %ardfill a0

aceleración m/4ima del terreno $ara el S9

a

corona Bm

A

talón de la $resa

A 

/rea de contacto deba6o de la $resa

A c

/rea de la sección transversal de la $resa

B

$ie de la $resa



anc%o de la base de la sección transversal de la $resa

B!

bordo libre Bm

 " c

$ar/metros 7ue miden la influencia 7ue las variables aleatorias tienen sobre la variable de res$uesta# co%esión del material de cimentación

# c

contenido de cemento

ch

co%esión %ardfill

# p

coeficiente de $resión 17

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE B..% DISEÑO DE $RESAS DE !ARDFILL # SBO

coeficiente s!smico del sismo b/sico de o$eración

# SM#

coeficiente s!smico del sismo m/4imo cre!ble

$%

$rofundidad de des$lante

e

e4centricidad

Eaz

em$u6e de a,olves

Eh

módulo de elasticidad del %ardfill

Ehaz

em$u6e de a,olves %ori,ontal

Ehd 2

em$u6e %idrodin/mico auas aba6o %ori,ontal

E phd

em$u6e %idrodin/mico

E phdh

em$u6e %idrodin/mico %ori,ontal

E phdv

em$u6e %idrodin/mico vertical

E phd 2

em$u6e %idrodin/mico auas aba6o

E phe

em$u6e %idrost/tico

Ev

com$onente vertical del em$u6e %idrost/tico

Evaz

em$u6e de a,olves vertical

Ev 2 com$onente vertical del em$u6e %idrost/tico auas aba6o Evd 2

em$u6e %idrodin/mico auas aba6o vertical

E50

módulo de elasticidad

F az

fuer,a debido al a,olve

FS

factor de seuridad

FSs factor de seuridad contra desli,amiento F SBO

fuer,a %ori,ontal debida al sismo

H

altura de la $resa Bm

h2

tirante auas aba6o Bm

h

altura del embalse Bm

haz

altura de a,olve Bm

&

momento de inercia de la sección

'

matri, de correlación

(H : 1 )

talud de la $resa

l2

lonitud en contacto con el aua auas aba6o

la

lonitud de la cara de concreto en contacto con el aua 19

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE B..% DISEÑO DE $RESAS DE !ARDFILL M

momento debido a la fuer,a normal e4céntrica

N c , N * , N + coeficientes adimensionales 7ue de$enden del /nulo de fricción interna5 φ

N ( μ [ x ] ) , σ [ x ] ¿ distribución normal N ❑ factor de forma e hd 2

$resión %idrodin/mica com$onente %ori,ontal del em$u6e %idrodin/mico

hd

com$onente vertical del em$u6e %idrodin/mico

t

$eso $ro$io de la $resa

*c

ca$acidad de cara terreno de cimentación

-u

resistencia a la com$resión BKPa

r ( + )

vector com$uesto $or los coeficientes de correlación L c5. y L?5.

S1

esfuer,o m/4imo del tramo lineal de la curva esfuer,o1deformación B;mm &

S

maren de seuridad de la función de desem$e(o

S c , S* , S❑ coeficientes de forma t

anc%o unitario

.

sub$resión

)A/

varian,a

0

contenido de aua

0 γ

$eso del aua

x

variable aleatorias

+

variable de res$uesta

+ A , B + c + SBO

bra,o de $alanca del momento distancia entre el e6e neutro de la sección al $unto considerado bra,o de $alanca de la fuer,a F S9 medido al centroide de masa de la

$resa

21


23


6. I,ROD4CCI/, @as $resas de %ardfill con cara de concreto se construyen areando un alutinante y aua a los materiales encontrados en el lec%o del r!o o sus alrededores# @a cara de concreto en el talud auas arriba aseura su estan7uidad# @a filosof!a de dise(o es disminuir los esfuer,os actuantes en la cimentación y cuer$o de la cortina variando la inclinación de sus taludes5 los cuales eneralmente son simétricos# .n $articular5 las tensiones deben ser nulas en el cuer$o y base de la $resa# @a disminución de esfuer,os en la base de la $resa5 $ermite 7ue se $uedan reducir los re7uerimientos de ca$acidad de cara y deformabilidad de la roca de cimentación5 a valores menores de los re7ueridos en otros ti$os de $resas similares5 tales como las $resas de concreto com$actado con rodillo5 CCR# Aun7ue desde el $unto de vista de resistencia5 el contenido de cemento no es un factor $re$onderante en el dise(o5 debe cuidarse 7ue la deformabilidad de la me,cla5 no conlleve a deformaciones relativas im$ortantes entre la cara de concreto y el cuer$o de la $resa 7ue $uedan oriinar arietamiento de los elementos im$ermeables# Por otro lado5 es com=n 7ue durante la construcción se tena 7ue aumentar el contenido de cemento5 $or condiciones de mane6abilidad de la me,cla5 lo 7ue eneralmente me6orar/ los $ar/metros de resistencia y deformabilidad considerados $ara el %ardfill durante el dise(o5 $ero $odr/ derivar en el cambio de ti$o de $resa $or cuestiones económicas Be#6# $asar de una $resa de %ardfill a una de CCR# @as $resas de %ardfill construidas a nivel mundial $resentan alturas 7ue var!an entre ' y "3* m5 $or lo 7ue se les cataloa dentro de las $resas $e7ue(as a medianas# @a $resa m/s alta de %ardfill construida %asta el momento es Cindere en Tur7u!a5 con "3* m de altura# Sin embaro5 $or $ol!ticas de la Comisión Federal de .lectricidad5 CF.5 no se contem$la construir cortinas de este ti$o con alturas su$eriores a '0m# Por consiuiente5 este ca$!tulo del manual est/ orientado a alturas m/4imas de ese orden# .n eneral5 el tama(o de la $resa %ardfill es menor 7ue el de $resas de ravedad y enrocamiento con cara de concreto# .n la fi# "#" se muestran com$araciones cualitativas entre los tama(os y formas de estas $resas# @as $rinci$ales venta6as de una $resa de %ardfill son< •

Construcción sim$le y r/$ida#

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE B..% DISEÑO DE $RESAS DE !ARDFILL • •

.s$ecificaciones de los materiales y del cementante $oco riurosas5 lo cual se traduce en una reducción del costo de $roducción del %ardfill# .4%iben un buen com$ortamiento ante cara est/tica y din/mica#

Cara de concreto

Cara de concreto auas aba6o

Cara de concreto auas arriba

0

6

7

;

Presa de enrocamiento con cara de concreto Cara de concreto $ara embalse de aua

Presa de concreto com$actado con rodillo Cara de concreto $ara $rotección de la erosión

Presa %ardfill

Fi# "#" Com$aración de la forma del cuer$o de varias las $resas 6.6

Descri&ci%n - características tí&icas de una &resa de hardi!! @a sección t!$ica de una $resa de %ardfill se muestra en la Fi# "#&5 donde se $uede observar su eometr!a simétrica tra$ecial#

Pantalla de inyecciones

Fi# "#& Sección t!$ica de una $resa de %ardfill

2


@os materiales de la $resa de %ardfill son esencialmente boleos5 ravas5 y arena del cauce del r!o5 $roducto de e4cavaciones de las obras5 los cuales $ueden com$lementarse en menor medida con material de bancos cercanos al sitio de la $resa5 unidos con un alutinante 7ue eneralmente es el cemento5 $or ello5 el material utili,ado $resenta una ranulometr!a muy variada# .s com=n encontrar tama(os de areados 7ue var!an de entre 0 cm y "0 cm B& y 2# @a utili,ación de los materiales del r!o y de e4cavaciones cercanas al sitio de la $resa $ermite minimi,ar la destrucción de la veetación de los sitios aleda(os al $royecto# Por este motivo5 este ti$o de $resa se considera m/s amiable con el medio ambiente en com$aración con otras $resas# @os taludes de la $resa se determinan tomando en cuenta5 entre otras5 las condiciones de cimentación y la altura de la $resa# @as $endientes com=nmente utili,adas var!an entre 3#0<"BH<: y 3#8<"BH<:# @a cara de concreto auas arriba act=a como una barrera im$ermeable5 tal como en una $resa de enrocamiento con cara de concreto# @a riide, de la $resa $odr!a $ermitir la instalación de obras com$lementarias tales como obras de descara5 aler!as de ins$ección y un vertedor de e4cedencia en su cresta5 similar a una $resa de concreto# @as caracter!sticas $rinci$ales de una $resa de %ardfill son< B" @a calidad re7uerida de los materiales Ben resistencia y deformabilidad es ba6a5 $ermitiendo un am$lio rano de tama(os y resistencia de rano# B& +ayor fle4ibilidad en la selección del sitio5 debido a 7ue los re7uerimientos de resistencia en el des$lante son menores 7ue los solicitados en $resas r!idas# B' Re7uiere instalaciones sencillas $ara la fabricación del %ardfill5 lo cual $ermite una construcción m/s r/$ida y con menor costo# 6.7

i&os de &resas de "ardi!! De acuerdo con la literatura técnica internacional5 en alunas ocasiones se %a considerado a las $resas de CSG BCement1Sand1Gravel5 $or sus silas en inlés como $resas de Hardfill5 sin embaro5 las $resas de CSG no contiene finos5 mientras 7ue las de Hardfill se ace$tan $orcenta6es de finos entre 0M y "0MBGuillemont et5 al &3"&# .ste ca$!tulo se enfoca al dise(o de $resas de Hardfill con cara de concreto5 de altura m/4ima de '0m5 con taludes simétricos o asimétricos5 considerando la $osible $resencia de finos5 7uedando descartado el ti$o CSG#

6.;

)ecuencia genera! de diseo


.n la Fiura "#' se $resenta un diarama de flu6o 7ue muestra la secuencia lóica del dise(o de $resas ti$o Hardfill# A continuación se mencionan cada uno de los com$onentes# • •

• •

• • •

4

Caracteri,ación de los materiales dis$onibles en cam$o5 en el lec%o del rio y alrededores# .laboración de me,clas con los materiales dis$onibles en cam$o5 y definición de $orcenta6es de cemento m!nimo $ara aseurar su mane6abilidad durante la construcción5 y $ara determinar los $ar/metros de resistencia al esfuer,o cortante y deformabilidad del Hardfill5 y $esos volumétricos# Pro$uesta eométrica de la $resa considerando en $rinci$io simetr!a# An/lisis de estabilidad e4terna de la $resa5 incluyendo revisión de falla $or desli,amiento5 esfuer,os en la base de la cortina5 y ca$acidad de cara $ara las condiciones de dise(o Bver Tabla '#"5 cum$liendo con los factores de seuridad m!nimos y esfuer,os $ermisibles corres$ondientes# An/lisis de esfuer,os y deformaciones est/ticas y din/micas5 $rinci$almente en la cara de concreto# Definición eométrica y es$ecificación de materiales y colocación# Dise(o final5 reali,ando modelado numérico $ara simular el com$ortamiento est/tico5 determinar deformaciones y esfuer,os en el cuer$o de la cortina5 y revisar el dise(o s!smico de la $resa#


Fi# "#' Proceso de dise(o de una $resa de %ardfill


7. '(ERI($E) 8 )4 C(R(CERI9(CI/, .n esta sección se revisan las caracter!sticas de los materiales com=nmente em$leados en $resas de %ardfill# Como ya se mencionó5 los areados de la $resa de %ardfill son boleos5 ravas y arena del cauce del r!o5 $roducto de e4cavaciones de las obras o de bancos de materiales cercanos a la $resa5 unidas con un alutinante5 eneralmente el cemento# .l contenido de cemento usado en $resas de %ardfill es usualmente del )3M al 03M del utili,ado en $resas de concreto com$actado con rodillo BCCR BCai et al5 &3"&# 7.6 Identiicaci%n de !os materia!es dis&oni*!es - estudios de *ancos @os areados del %ardfill son em$leados tal cual se e4cavan5 en $rinci$io5 sin ser clasificados ni %aciendo a6ustes de ranulometr!a5 e4ce$to retirando o triturando framentos randes# .l areado del concreto5 $or otro lado5 es clasificado y su ranulometr!a es a6ustada# .l contenido de aua natural var!a de$endiendo de la ranulometr!a y del $roceso de e4tracción de los areados# A diferencia de los areados utili,ados $ara la fabricación del %ardfill5 los areados del concreto a utili,ar $ara la cara de concreto y obras au4iliares5 tienen una ranulometr!a es$ec!fica5 y su dosificación aua1cemento var!a en ranos muy $e7ue(os#

7.7 'ateria! &ara e! cuer&o de !a cortina >sualmente el areado utili,ado en $resas de %ardfill $resenta una ranulometr!a muy variable5 ya 7ue el material en muc%os casos est/ com$uesto $or ravas5 material aluvial $resente en el lec%o del r!o5 y re,aa $roducto de la e4cavación cerca de la $resa# Sin embaro5 $ara estimar las $ro$iedades mec/nicas de dise(o $ara este ti$o de $resas5 se %an usado tama(os 7ue var!an de entre 0 y "0 cm# Adem/s5 $ara $roteer el medio ambiente y mantener los costos de la $resa deben tenerse $resente los siuientes as$ectos#

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE B..% DISEÑO DE $RESAS DE !ARDFILL •

•

• •

@os elementos im$lementados $ara la ins$ección de los areados en sitio5 ser/n seleccionados teniendo en cuenta la to$oraf!a5 la eolo!a5 y las condiciones en sitio de los bancos de material# @a distancia entre los sitios de e4tracción de los areados y el luar de construcción de la $resa5 ser/ un factor 7ue determinar/ el sitio de e4tracción5 $ero se tomar/ en cuenta el da(o al medio ambiente y la eficiencia económica# .l $ro$ósito del estudio es determinar la idoneidad de los bancos de material a e4traer $ara la construcción de la $resa# .4iste un alto rado de libertad en la selección del material 7ue intera el %ardfill5 $or lo 7ue el rano del an/lisis se establece teniendo en cuenta $rinci$almente 7ué tan cerca se encuentra el sitio de e4tracción de la ,ona de construcción de la $resa5 de ser necesario se am$liar/ la ,ona de selección#

.lección de los $osibles sitios $ara la e4tracción de materiales a em$lear en la elaboración del %ardfill< se identifican los sitios $ara e4traer los areados5 tomando en cuenta 7ue la me,cla de %ardfill se com$one $rinci$almente de boleos5 rava y arenas obtenidos directamente del lec%o del rio5 o de su cercan!as5 adem/s del material $roducto de la e4cavación de las obras 7ue interan el $royecto# .studio de cam$o< se lleva a cabo $ara determinar la distribución de los materiales 7ue interar/n el %ardfill y su conveniencia $ara ser em$leada como areado# .l an/lisis eolóico< basado en el resultado del estudio de cam$o5 los materiales se clasifican en< " de cantera o $roducto de e4cavación y & $or su rado de intem$erismo y metamorfosis# .studio de factibilidad< la factibilidad de los materiales se anali,a considerando las $ro$iedades b/sicas tales como ranulometr!a5 densidad y rado de absorción# Abundancia< se determinan los bancos 7ue $ueden utili,arse como material $ara la elaboración de la me,cla de %ardfill# Planeación de la e4tracción y trans$orte< se reali,a un estudio $ara $lanificar la e4tracción5 trans$orte y almacenamiento de los materiales5 y $ara decidir la ruta de trans$orte# Si se utili,a el material oriinalmente destinado a otras obras5 se considera la $roramación de los traba6os5 y si es necesario se estudia el resuardo tem$oral del material# .studio de im$acto ambiental< se anali,a el im$acto al medio ambiente ocasionado $or la e4tracción y trans$orte de los materiales# .studio de eficiencia económica< se anali,a el costo de la e4$lotación5 trans$orte y resuardo de los materiales y la $roducción de los areados del %ardfill# .lección del banco de e4tracción de los materiales 7ue interan el %ardfill< el sitio $ara e4tracción de los materiales se elie en función del resultado de los estudios anteriores# Se recomienda 7ue los estudios relativos a los materiales 7ue se utili,ar/n5 se realicen a$e/ndose a las siuientes observaciones<


B" .l estudio de los materiales dis$onibles se %ace seleccionando y combinando diversos métodos de estudio tales como la e4$loración de la su$erficie5 e4$loración indirecta Bmétodos eof!sicos5 $erforaciones5 ,an6as y socavones de e4$loración5 de acuerdo con los $ro$ósitos y eta$a del estudio5 los cuales $ueden llevarse a cabo a lo laro del rio5 o en ,onas $ró4imas a éste# B& Cuando los materiales son e4tra!dos durante la eta$a de estudio5 éstos se obtienen $or el mismo método 7ue se $retende em$lear en la eta$a de construcción# .n el caso de 7ue5 debido a restricciones del sitio5 no sea $osible usar el método $resumiblemente establecido5 se anali,an las consecuencias 7ue se tendr/n cuando la e4tracción sea $or otro método# B' .n el caso de los sedimentos y del $roducto de la e4cavación del sitio de la $resa5 se debe considerar la re$resentatividad de las muestras de los materiales obtenidos# Por tanto5 es necesario e4cavar material de muestra en un /rea m/s am$lia5 7ue el rano de e4cavación $revista $ara anali,ar la dis$ersión en la calidad de los materiales# .n el caso 7ue el material obtenido esté intem$eri,ado5 la calidad de éste var!a se=n su rado de intem$erismo# Por tanto5 cuando el material de la muestra se obtiene de un socavón e4$loratorio5 la calidad del material se reistra $ara uso futuro como información $ara confirmar la re$resentatividad de la muestra de material# Cuando el material es muestreado $or la am$liación del socavón Be4cavación %ori,ontal5 sólo debe revisarse la calidad del material# Por su $arte5 cuando se obtiene mediante la continuación del socavón Be4cavación vertical la calidad se revisa en sus $aredes# 7.; 2ro&orci%n de !a mezc!a .l %ardfill se com$one $or areados5 cemento5 aua y aire Bver Fi# &#"# .s dif!cil de tomar en cuenta el contenido de aire en el c/lculo de la $ro$orción de la me,cla $or7ue las $ruebas de %ardfill5 en laboratorio y el tramo de $rueba5 son desarrolladas $ara diferentes casos5 cada uno de ellos con $ar/metros en ranos diferentes5 como la ranulometr!a y el contenido de aua5 ener!a de com$actación5 7ue tienen como resultado diferentes contenidos de aire en función de la ranulometr!a y contenido de aua# Por estas ra,ones5 el dise(o de la me,cla es reali,ado considerando 7ue el contenido de aire es cero $ara la fase de $laneación# .l siuiente $rocedimiento es a$licado $ara determinar las $ro$orciones de la me,cla de %ardfill# B" .l contenido de cemento y aua son re$resentados $or medio de #c y 0 5 res$ectivamente# .l volumen de areados se calcula restando de " m ' de material el volumen de aua y cemento calculados# .n este $unto el contenido de aua natural de los areados es tomado en cuenta# B& .l volumen de %ardfill obtenido en el $unto anterior es multi$licado $or la ravedad es$ec!fica de los areados#


L( *+*+-7) / ( 6@(  /+6-)(/( (46-)/ 4 ( +(-7) / :(3  0 ) ( (*( / ( )+4-7)

L( +(-7) / :(3  /+6-)( / (4+/ ( ( /)-/(/ 7+-( 8 ( /)-/(/ / *;-6) / 9+() (6(

L( 6@( / ( *+*+-7) / (+/  /+6-)( )-/+()/ ( +(-7) / :(3 ()+-+ ) ( (*( / )+4-7)

Fi# &#" Pro$orción de la me,cla de %ardfill BND.C5 &3"& .4istir/ diferencia entre el contenido de aire5 entre el volumen $roducido en el $roceso de me,clado y el volumen colocado en el $roceso de construcción# Por tanto5 en la construcción de la $resa la $ro$orción de la me,cla se formular/ a $artir de la diferencia entre la densidad teórica de la me,cla de %ardfill $ara la eta$a de $laneación y la obtenida en los es$ec!menes de randes dimensiones $ara una me,cla media5 es decir5 $ara la ranulometr!a y contenido de aua medios 7ue son el con6unto 7ue se em$lear/ en la construcción de la $resa# @a $ro$orción de la me,cla %ardfill se determina a $artir de las $ruebas en los es$ec!menes $ara un $eso unitario de " m '5 me,clando material $roducto de la e4cavación o cercano al lec%o del r!o5 aua y cemento# B" .l material de la me,cla %ardfill consiste en areados5 aua y cemento5 y vac!os# De éstos5 la $rueba ranulometr!a5 el contenido de aua5 y el rado de com$actación se llevan a cabo en la me,cla de %ardfill5 as! 7ue la relación de vac!os fluct=a de acuerdo a la variación de la ranulometr!a y el contenido de aua $rinci$almente# .l dise(o de la me,cla se lleva a cabo su$oniendo una relación de vac!os de cero en la eta$a de $laneación# @a cual se calcula $ara la eta$a de e6ecución basada en la relación de vac!os obtenida de las $ruebas de laboratorio# B& .l siuiente $rocedimiento se a$lica $ara determinar la $ro$orción de la me,cla %ardfill< •

.l contenido de cemento  #c  en Km' y contenido de aua  0  en M# .l volumen del material %ardfill se calcula restando el volumen de cemento y aua de " m '#


@a unidad de $eso del material %ardfill se calcula multi$licando el volumen del material %ardfill $or su densidad#

B' Se considera una diferencia de relación de vac!os entre el volumen $roducido en el $roceso de la me,cla y el volumen e6ecutado en la construcción de la estructura de la $resa# Por tanto5 se determina mediante una relación de vac!os entre la diferencia de la densidad teórica de la $ro$orción de la me,cla en la eta$a de $lanificación y en la densidad de la me,cla de los es$ec!menes de ran tama(o# 7.0 Ensa-es mec#nicos 2.4.1 Carga estática

Si el tama(o m/4imo del areado $ara %ardfill es menor a )3mm BND.C5 &3"&5 es $osible obtener los $ar/metros de resistencia y deformabilidad utili,ando las $ruebas convencionales incluidas en la Tabla &#"# @os detalles de estas $ruebas se encuentran en el ca$!tulo #&#&#


Tabla &#" Pruebas de laboratorio $ara %ardfill BND.C5 &3"& Pruebas

Resultados .sta $rueba mide la resistencia a la com$resión no confinada en un es$écimen de %ardfill# Para obtener la curva esfuer,o1 deformación se tiene un mecanismo ca$a, de medir el esfuer,o a4ial y la deformación lonitudinal durante la $rueba de cara en el es$écimen#

Resistencia a la com$resión

Resistencia y +ódulo de elasticidad

+ódulo de ru$tura

.sta $rueba mide la resistencia a la fle4ión 7ue so$orta un es$écimen de %ardfill5 $ara obtener el módulo de ru$tura del material#

Resistencia al Corte

Resistencia

Se reali,a el es$écimen de %ardfill en dos ca$as con una $asta de cemento en la 6unta entre las dos ca$as5 $ara medir la resistencia en la 6unta

Pruebas tria4iales

Co%esión y /nulo de fricción

Se reali,an $ruebas tria4iales $ara encontrar las $ro$iedades de resistencia del material

Resistencia a la Tensión

Si el tama(o m/4imo del areado del %ardfill e4cede )3mm BND.C5 &3"&5 ser/ necesario la construcción de un bordo de $rueba $ara establecer la resistencia del %ardfill in1situ5 construido con los materiales dis$onibles $ara conformar el %ardfill5 utili,ando el contenido de cemento m!nimo re7uerido $ara aseurar la mane6abilidad


de muestra# 9tra alternativa es dise(ar5 construir y calibrar e7ui$o de laboratorio con las dimensiones adecuadas $ara reali,ar $ruebas de resistencia y deformabilidad de es$ec!menes de %ardfill de tama(o no convencional# 2.4.2 Carga dinámica

@as $resas de %ardfill deber/n dise(arse $ara $ermanecer en el rano el/stico de la curva esfuer,o deformación ante cara sostenida y s!smica5 $or lo 7ue se $odr/ utili,ar conservadoramente un amortiuamiento de ' al 0 M en los an/lisis din/micos# Si se cuenta con e7ui$o com$atible con el tama(o m/4imo del areado del %ardfill a utili,ar5 se $odr/n llevar a cabo $ruebas de columna resonante est/ndar5 como se describe en el Ca$!tulo #&#&5 $ara determinar la variación del módulo de riide, al cortante y el amortiuamiento con la deformación anular Bba6as a medias manitudes# 2.4.3 Ensa-es en muestras de tamao no convenciona!

Debido a 7ue el %ardfill tiene un ba6o contenido de cemento y un rano de ranulometr!as m/s alto 7ue el usualmente em$leado en $resas de concreto5 es necesario y ra,onable obtener su resistencia mediante el ensaye de es$ec!menes formados $or la me,cla real de %ardfill5 uardando siem$re una relación m!nima entre el di/metro5 Des$5 y altura5 Hes$ del es$écimen5 con el tama(o m/4imo de los areados5 Tama45 de Des$ Tama4 O '#*0 y H es$ Tama4 O *#0 res$ectivamente# &sí/ si el tamaño máimo del agregado es de ) mm/ los cilindros de $ard+ill deben tener 3 mm de diámetro y 6 mm de altura.

@os es$ec!menes del laboratorio incluyen dos $ruebas< la $rueba $rinci$al con es$ec!menes de ran tama(o y $ruebas $reliminares con es$ec!menes de tama(o est/ndar# @a $rueba del es$écimen de ran tama(o se reali,a $ara obtener las $ro$iedades b/sicas del material %ardfill5 como la resistencia5 el módulo de elasticidad y la densidad# .l contenido de cemento es ba6o5 la ranulometr!a var!a y es diferente a la del concreto5 $or lo 7ue es necesario reali,ar $ruebas usando el tama(o real de los areados y con ello obtener las $ro$iedades b/sicas# @as $ruebas con es$ec!menes est/ndar se em$lean $ara determinar las $ro$iedades de resistencia $reliminar5 y el rano de contenido de aua# Se reitera5 la eta$a donde se ensayan cilindros de tama(o est/ndar se considera de car/cter $reliminar y es a7u! donde se determina la me,cla 7ue se em$lear/ en las $ruebas en es$ec!menes de randes dimensiones# 7.> Com&ortamiento esuerzodeormaci%n de! hardi!! @a curva esfuer,o deformación $ara estos materiales se muestra en la Fi# &#&# .n esta fiura se a$recia 7ue el %ardfill tiene un com$ortamiento intermedio entre el concreto y el enrocamiento#


Enrocamiento

Fi# &#& Com$aración entre la relación de esfuer,o y deformación en el concreto5 %ardfill y enrocamiento Eemplo de determinación de la relación es+uer*o de+ormación del $ard+ill 5a Fig. 2.3 muestra los resultados de una prueba de corte consolidada drenada en arena y graa para un contenido de cemento de 37/ y un período de curado de 14 días 08ou et al./ 211. 5a arena y graa cementada tienen una cura típica es+uer*o" de+ormación correspondiente a un material 9ue su+re reblandecimiento por de+ormación. &l aumentar la presión de con+inamiento/ la resistencia pico y residual de $ard+ill aumentan/ pero los módulos de de+ormación resultan poco sensibles a los cambios de presión de con+inamiento. Zou, 2011

Fi# &#' Resultados de la $rueba consolidada drenada En la Fig. 2.4/ se muestran las curas es+uer*o"de+ormación aial del $ard+ill a la misma presión de con+inamiento/ para di+erentes contenidos de cemento. En dic$as +iguras se muestra el e+ecto de la presión de con+inamiento y del contenido de cemento en la resistencia máima/ el módulo inicial/ y el índice de +ragilidad. (e puede

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE B..% DISEÑO DE $RESAS DE !ARDFILL obserar 9ue la resistencia máima y la resistencia residual de todos los materiales $an aumentado signi+icatiamente con el contenido de cemento/ un e+ecto similar/ aun9ue menor/ se obsera al aumentar la presión de con+inamiento. Cuando la de+ormación aial es menor de .,7/ las curas es+uer*o"de+ormación se comportan en el rango elástico lineal/ mientras 9ue despu!s de 17 de de+ormación aial se alcan*a la resistencia residual del material. Zou, 2011

Zou, 2011

Zou, 2011

7.5

Fi# &#) Curva esfuer,o1deformación a4ial 2ro&iedades &ara diseo de! hardi!!

@as $ro$iedades mec/nicas de resistencia 7ue rien el dise(o de la me,cla del %ardfill son la co%esión B c 5 el /nulo de fricción interna ϕ y el módulo de elasticidad E # .stas $ro$iedades est/n !ntimamente liadas a la $ro$orción de la me,cla de

%ardfill y su determinación se encuentra en función $rinci$almente de la ranulometr!a de los areados5 del contenido de aua y cemento de la me,cla5 $or lo 7ue $resentan una ran dis$ersión en función del contenido de cemento de la me,cla y de la edad del es$écimen# Alunos valores t!$icos de $ar/metros de dise(o5 re$ortados en la


literatura técnica internacional en función del contenido de cemento y tiem$o de curado5 se muestran en la Tabla &#&# Tabla &#& Pro$iedades mec/nicas de resistencia y deformabilidad del %ardfill

Co%esión5 ch

nulo de fricción5

+ódulo de elasticidad5

Contenido de cemento

Tiem$o de curado Bd!as

.sfuer,o de confinamient o BKPa

Fuente

B+Pa

❑h

3#83 3#)& 3#&0 3#&)

BQ ))2 )) )-

')& ')" ")0 0-)

198

14

100

132

14

100

66

14

100

60

28

200

Sun et al., (2011)

3#'8

'-

*0'

40

28

200

Wu et al., (2011)

3#03

)0

&5333

60

91



!ion" et al., (2008)

3#83

)0

)53331 ""5082

70

180



#an$a% et al., (2009)

Eh B+Pa

#c

BKm'

Zou et al., (2008)

:alores m!nimos sueridos $or el manual5 valores menores im$lican revisión adiciones como estabilidad de taludes en el cuer$o de la $resa


;

CRIERIO) GE,ER($E) DE DI)E1O

;.6 )e!ecci%n de! ti&o de &resa de hardi!! Como se estableció en el $unto "#& e4isten diferentes ti$os de $resas %ardfill5 7ue se diferencian $or su eometr!a y materiales# Com=nmente5 las $resas de %ardfill construidas en el mundo $resentan una eometr!a tra$ecial con taludes simétricos BFSHD5 Faced Symmetrical Hardfill Dam5 eometr!a 7ue $ro$icia 7ue dentro del cuer$o de la $resa no se $resenten esfuer,os de tensión5 y 7ue adem/s conlleva a 7ue el /rea de la base de la cortina sea mayor 7ue la de una $resa convencional de ravedad5 con lo 7ue se $ueden tomar los esfuer,os %ori,ontales con la fricción enerada entre la base de la $resa y el terreno de a$oyo5 sin incurrir en estructuras es$eciales5 como ancla6es5 dentellones5 $ara evitar 7ue la $resa se deslice# .ste manual se enfoca =nicamente a $resas de %ardfill de sección tra$ecial# @a eometr!a de la $resa se $uede o$timi,ar y llear a taludes auas arriba y aba6o con diferentes inclinaciones5 lo 7ue nos lleva una $resa de %ardfill tra$ecial con taludes asimétricos BFAHD5 Faced Asymmetrical Hardfill Dam5 $or su silas en inlés# ;.7 Diseo de! cuer&o de !a &resa Durante el dise(o de una $resa de %ardfill de sección tra$ecial5 se o$timi,a la eometr!a de la $resa buscando el volumen m!nimo de material5 manteniendo la restricción de cero esfuer,os de tensión en el cuer$o y base de la cortina# Se reali,a el an/lisis de estabilidad $ara diferentes $endientes de la cara de la $resa tanto auas arriba como auas aba6o# Se deben considerar todas las combinaciones de cara a las 7ue estar/ sometida la $resa durante su construcción y o$eración# @a $resa se dise(a como un cuer$o el/stico5 con sección tra$ecial $ara mantener las fuer,as al nivel de des$lante de la $resa siem$re en com$resión5 durante condiciones usuales de o$eración5 o $ara cara e4trema o inusual Bi#e# $ara condiciones est/ticas o s!smicas# ste es uno de los $ar/metros claves 7ue obiernan el dise(o de este ti$o de $resas# Se deber/ revisar la estabilidad e4terna e interna de la $resa# @a $rimera corres$onde a la revisión de los factores de seuridad contra desli,amiento5 y la seunda revisa 7ue los esfuer,os internos en la $resa sean menores a los $ermisibles# .s im$ortante resaltar 7ue la deformabilidad del terreno de cimentación $odr!a enerar esfuer,os de tensión en el cuer$o de la $resa5 7ue se $ueden $resentar aun7ue la $resa transmita solo fuer,as de com$resión a la cimentación# .stos esfuer,os son función de la riide, relativa5 Ri5 entre la $resa y la roca de cimentación# R i se obtiene como el cociente del módulo de elasticidad de la $resa5 .$5 entre el de la roca5 .r5 Bi#e# .$ .r# >na roca muy


deformable Bi#e# ba6o .r conllevar!a a la eneración de esfuer,os de tensión en el cuer$o de la $resa5 7ue tendr!a 7ue ser $r/cticamente nulos# @as combinaciones de cara $or eta$a durante la construcción y o$eración de la $resa a considerar en el dise(o se muestran en la Tabla '#"# Se determinan los factores de seuridad contra desli,amiento5 las $resiones en la base y las cantidades de material $ara cada eometr!a considerada Bi#e# $endiente del talud auas arriba y auas aba6o# De$endiendo de las condiciones del sitio y del $royecto5 este an/lisis se $odr/ reali,ar $or métodos convencionales Bmétodo de ravedad o numéricos Belemento finito y diferencias finitas5 com=nmente# @a revisión de una $resa de %ardfill ante condiciones s!smicas debe considerar dos niveles de intensidad definidos $or el sismo base de o$eración BS9 y el sismo m/4imo cre!ble BS+C# .n el dise(o de $resas de %ardfill se deben tomar en cuenta las $resiones %idrodin/micas e6ercidas sobre el cuer$o de la $resa durante un evento s!smico# @a distribución de $resiones %idrodin/micas se determina em$leando los criterios sim$lificados $ro$uestos $or Housner B"-*85 los cuales toman en cuenta la inclinación de las caras de la $resa# Adicional a las $resiones debidas al aua se debe considerar la $resión 7ue enera el material de a,olve arrastrado $or la corriente %asta el vaso de la $resa5 consider/ndolo como un fluido con la densidad del a,olve5 $ara condiciones est/ticas y s!smicas# .n el dise(o $reliminar de una $resa de %ardfill es necesario evaluar la seuridad ante desli,amiento y aseurar 7ue los esfuer,os verticales en toda el /rea de la base de $resa se mantena en com$resión5 $ara condiciones de cara est/ticas y s!smicas5 adem/s de anali,ar los esfuer,os transmitidos al terreno de cimentación# @a evaluación de la estabilidad de la $resa se $uede reali,ar em$leando métodos convencionales Bmétodo $or ravedad# Durante el an/lisis de estabilidad5 todas las condiciones de cara5 a las 7ue estar/ sometida la $resa a lo laro de su vida =til deben ser anali,adas# .strictamente %ablando5 la fuer,a s!smica %ori,ontal es determinada como el $roducto de la aceleración es$ectral Bfunción de la fle4ibilidad de la estructura $or la masa total de la $resa5 sin embaro en an/lisis $reliminares se $uede considerar entre "& y &' del coeficiente s!smico c corres$ondiente al valor de la meseta es$ectral5 como se describe en el subca$!tulo 2# Se deben considerar los efectos %idrodin/micos asumiendo 7ue la $resión se incrementa en la cara auas arriba como resultado de la e4citación del volumen de aua contenido en el embalse# s

En proyectos importantes/ 0i.e. alturas de la presa mayores a )m/ una e* reisada la estabilidad de la presa en la etapa de diseño preliminar se reali*a el diseño de+initio considerando la con+iabilidad estructural del sistema cortina"laderas"embalse/ ante carga estática y sísmica tomando en cuenta la ariación in$erente de las propiedades mecánicas de resistencia y de+ormabilidad del cuerpo de la presa de $ard+ill. (e llea a cabo la ealuación del estado límite de +alla y de sericio simultáneamente 0ayoral et al./ 21,. :ara esto/ se re9uiere un estudio estadístico de la propiedades del $ard+ill/ y se puede utili*ar de +orma aproimada el m!todo de estimación de dos ariables/ ':E 0osenbluet$/ 1;%,/1;)1 acoplado con modelos num!ricos de di+erencias +initas tridimensionales para determinar distribuciones de +actores de seguridad en *onas críticas dentro del cuerpo de la presa/ probabilidad de +alla/ índices de

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE B..% DISEÑO DE $RESAS DE !ARDFILL con+iabilidad/ y despla*amientos máimos en la cresta y taludes de la presa de $ard+ill. En a9uellas *onas en donde el +actor de seguridad sea cercano o in+erior a uno/ se deberá tomar en cuenta el e+ecto de las +uer*as de la presión de agua dentro de las grietas generadas en el cuerpo de la cortina debido a la +alta de estan9ueidad de la cara de concreto. (e reitera 9ue/ la presa debe ser diseñada para transmitir es+uer*os de compresión a todo lo largo de su base/ independientemente de las condiciones de carga y a
3.2.1 Fundamentos de diseño

Para el an/lisis $reliminar de la $resa5 o en $royectos 7ue involucren alturas ba6as Bi#e# & a "0m a medias B'3 a 03m se $ueden asumir tres %i$ótesis b/sicas< " @as formaciones rocosas o materiales térreos5 tienen la ca$acidad de tomar las caras transmitidas $or el cuer$o de la $resa# & @a $resa se encuentra unida tanto al terreno de cimentación como a las $aredes del cauce# ' @os materiales 7ue forman la cortina5 se considera 7ue son %omoéneos e isótro$os y 7ue dentro del rano el/stico $oseen la resistencia suficiente $ara tomar las caras a las 7ue se ver/ sometida la cortina# Se deber/n caracteri,ar los materiales 7ue forman la cortina5 $ara 7ue el dise(o se a6uste a las $ro$iedades del %ardfill# Cargas de diseo @as caras de dise(o se dividen en dos $artes5 la $rimera de ellas corres$onde a caras est/ticas BFi# '#"5 y se com$onen $or el $eso $ro$io de la cortina y del tirante de aua sobre el talud auas arriba y auas aba6o5 la $resión %idrost/tica oriinada $or el embalse y el tirante de aua $resente auas aba6o5 la $resión enerada $or el material de a,olve5 as! como la fuer,a de sub$resión $resente en el fondo de la $resa# *+,.$&u/e 0id'ost1tico Wγ

.$&u/e de sedi$entos

Peso total de la &'esa Pt

(a'd)ill

*i4el a"uas aa/o .$&u/e Wγ 0id'ost1tico 5e''eno de ci$entaci3n

Su&'esi3n sin d'enes

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE B..% DISEÑO DE $RESAS DE !ARDFILL (a)

*+,$&u/e id'osttico Wγ


$&u/e de sedi$entos

*iel a"uas aa/o

(a'd)ill ale'ia

$&u/e Wγ id'osttico e''eno de ci$entacin

Su&'esin con d'enes

()

Fi# '#"# Fuer,as est/ticas $ara el an/lisis de la $resa Ba sin drenes5 Bb con drenes .l seundo ru$o se intera $or las caras oriinadas $or acciones s!smicas5 en la Fi# '#& se $resenta un es7uema de estas acciones5 7ue incluyen las fuer,as inerciales eneradas $or la masa de la $resa5 y las %idrodin/micas y del a,olve en la cara auas arriba5 consider/ndolo como un fluido con el $eso volumétrico del a,olve# @as caras %idrodin/micas auas aba6o usualmente no se toman en cuenta $or ser m/s desfavorable desde el $unto de vista del e7uilibrio de fuer,as %ori,ontales# Para este caso se consideran dos sismos de dise(o5 el Sismo ase de 9$eración BS9 y el Sismo +/4imo Cre!ble BS+C 5 ver subca$!tulo 2#

*+,.$&u/e 0id'odin1$ico

S7- o S,8


(a'd)ill

*i4el a"uas a2a/o

5e''eno de ci$entaci3n

Fi# '#&# Fuer,as din/micas $ara el an/lisis de la $resa .n incisos $osteriores se abundar/ sobre la metodolo!a a$licable $ara la determinación de las fuer,as im$uestas $or la acción de un sismo# 3.2.2 Combinaciones de carga


@a estabilidad de la $resa se debe estudiar $ara diferentes eta$as y combinaciones de cara relacionadas a diferentes fases del $roceso constructivo y o$eración de la $resa# De$endiendo de las condiciones del sitio y del $royecto este an/lisis se $odr/ reali,ar $or métodos convencionales Bmétodo de ravedad o sofisticados Belemento finito y diferencias finitas# @as eta$as de an/lisis $ara el dise(o de una $resa %ardfill se muestran en la Tabla '#"#


Tabla '#" .ta$as de an/lisis $ara dise(o y condiciones de cara Eta&a de an#!isis Fin de construcci ón Fin de construcci ón  sismo BS9 Condición de servicio Blaro $la,o Condición de m/4ima o$eración

Condición de servicio  sismo S9

Condición de servicio  sismo S+C

Cargas

Condiciones de carga

Peso $ro$io de la estructura

Inusual

Peso $ro$io de la estructura Sismo BS9

.4trema

Peso $ro$io de la estructura Presión %idrost/tica B;A+9 .m$u6e de Sedimentos Sub$resión Peso $ro$io de la estructura Presión %idrost/tica B;A+. .m$u6e de Sedimentos Sub$resión Peso $ro$io de la estructura Presión %idrost/tica B;A+9 Presión %idrodin/mica B;A+9 Sismo BS9 .m$u6e de Sedimentos Sub$resión Peso $ro$io de la estructura Presión %idrost/tica B;A+9 Presión %idrodin/mica B;A+9 Sismo BS+C .m$u6e de Sedimentos Sub$resión

>sual

.4trema

Inusual

.4trema


Inusua! Fin de construcci%n. Se eval=a la estabilidad de la $resa al final de la construcción5 en esta eta$a se busca establecer la $resión transmitida a los materiales de des$lante5 7ue servir/ $ara verificar la ca$acidad de cara del terreno de cimentación# @as fuer,as involucradas en este an/lisis se muestran en la Fi# '#'#

9inal de la const'uccin

ondicin inusual Peso total de la &'esa Pt

(a'd)ill

e''eno de ci$entacin

Fi# '#'# Caras consideradas en la eta$a " de an/lisis Etrema Fin de construcci%n H )BO. Se adiciona a la eta$a anterior las acciones im$uestas $or un sismo# Se consideran las aceleraciones de un sismo base de o$eración BS9# @as caras involucradas en este an/lisis se muestran en la Fi# '#)#

9inal de la const'ucci3n

8ondici3n e:t'e$a Peso total de la &'esa Pt

S7-

(a'd)ill


Fi# '#)# Caras consideradas en la eta$a & de an/lisis 4sua! O&eraci%n norma!# Se consideran las caras e6ercidas sobre el cuer$o de la $resa durante la condición de servicio de la $resa B$resiones %idrost/ticas y el $eso $ro$io de la $resa# .l an/lisis de la estabilidad de la $resa se reali,a tomando en cuenta el nivel de auas m/4imo ordinario B;A+9# @as caras involucradas en esta eta$a de an/lisis se muestran en la Fi# '#0#


*+,-

8ondici3n usual

.$&u/e 0id'ost1tico Wγ



*i4el a"uas aa/o

(a'd)ill

.$&u/e Wγ 0id'ost1tico 5e''eno de ci$entaci3n

Su&'esi3n sin d'enes

Fi# '#0# Caras consideradas en la eta$a ' de an/lisis Etrema O&eraci%n m#ima# Se consideran las caras e6ercidas sobre el cuer$o de la $resa durante la condición de servicio de la $resa B$resiones %idrost/ticas y el $eso $ro$io de la $resa# .l an/lisis de la estabilidad de la $resa se reali,a tomando en cuenta el nivel de auas m/4imo e4traordinario B;A+.# @as caras involucradas en esta eta$a de an/lisis se muestran en la Fi# '#2#

*+,.




(a'd)ill

*i4el a"uas a2a/o .$&u/e Wγ 0id'ost1tico 5e''eno de ci$entaci3n

Su2&'esi3n

Fi# '#2# Caras consideradas en la eta$a ) de an/lisis Inusua! O&eraci%n norma! H )BO. Se consideran las caras e6ercidas sobre el cuer$o de la $resa considerando la condición de servicio de la $resa m/s las acciones im$uestas $or un sismo base de o$eración BS9# @as caras involucradas en el an/lisis de estabilidad de esta eta$a se muestran en la Fi# '#*#


*+,-

8ondici3n inusual

.$&u/e 0id'ost1tico

.$&u/e 0id'odin1$ico

Wγ


S7.$&u/e de sedi$entos

(a'd)ill

*i4el a"uas a2a/o .$&u/e Wγ 0id'ost1tico 5e''eno de ci$entaci3n

Su2&'esi3n

Fi# '#*# Caras consideradas en la eta$a 0 de an/lisis Etrema O&eraci%n norma! H )'C# Se consideran las caras e6ercidas sobre el cuer$o de la $resa considerando la condición de servicio de la $resa m/s las acciones im$uestas $or un sismo m/4imo cre!ble BS+C# .l an/lisis de la estabilidad de la $resa se reali,a tomando en cuenta el nivel de auas m/4imo ordinario B;A+9# @as caras involucradas en esta eta$a de an/lisis se muestran en la Fi# '#8#

*+,.$&u/e 0id'odin1$ico



S,8 .$&u/e de sedi$entos

(a'd)ill

*i4el a"uas a2a/o Wγ .$&u/e 0id'ost1tico 5e''eno

de

ci$entaci3n

Su2&'esi3n

Fiura '#8# Caras consideradas en la eta$a 2 de an/lisis 3.2.3 Estabilidad global y geometría ótima

@a eometr!a seleccionada debe cum$lir con los re7uerimientos de estabilidad lobal $ara todas las combinaciones de cara anali,adas# Se debe tomar en cuenta también el an/lisis de los esfuer,os transmitidos al terreno de cimentación# @a metodolo!a $ara la determinación de la estabilidad lobal de la $resa se describe en el ca$!tulo ) de este manual# .n la Tabla '#& se $resenta el rano de los taludes com=nmente em$leados en la eta$a de dise(o de las $resas de %ardfill# .stos valores se $ueden tomar como $unto de $artida $ara la revisión y o$timi,ación de la sección de la $resa de %ardfill#


Tabla '#& Recomendaciones sobre taludes em$leados en el dise(o de $resas de %ardfill Cara de !a &resa Auas arriba Auas aba6o

Rango de ta!udes" 3#)<" a "<" 3#*<" a "<"

;.7.0 Estructuraci%n de! cuer&o de !a &resa .n una $resa de %ardfill se debe aranti,ar su estabilidad5 durabilidad y estan7ueidad ba6o las caras $revistas# @a estabilidad se aranti,a satisfaciendo la estabilidad e4terna e interna ba6o las caras $revistas# ;.; Eectos tridimensiona!es Debido a la facilidad de im$lementación de los an/lisis en dos dimensiones5 y a su sencille,5 estos se %an utili,ado con mayor frecuencia $ara los an/lisis de estabilidad s!smica de $resas5 ya sea em$leando un método $seudo1est/tico5 $seudo1din/mico5 o directamente al=n $rorama de simulación numérica basado com=nmente en el elemento finito5 o las diferencias finitas5 en es$ecial $ara $royectos con alturas menores a '0m# >n criterio sencillo $ara decidir si los efectos tridimensionales son relevantes5 es el $ro$uesto $or +e6ia5 "-8"# as/ndose en un estudio $aramétrico de $resas de tierra5 llevado a cabo con la técnica del elemento finito5 encontró 7ue la res$uesta din/mica de estas $resas en ca(ones trianulares con una relación laro a altura de cortina Bi#e# @H mayores a *5 $ueden ser calculadas considerando un estado de esfuer,os $lano o diferentes secciones de la $resa# Sin embaro5 el an/lisis bidimensional no $uede simular correctamente la res$uesta din/mica de las $resas en ca(ones trianulares B@H U 2 y $or lo tanto5 se re7uiere un an/lisis tridimensional $ara evaluar la res$uesta s!smica de estas $resas#


0.

(,<$I)I) DE E)(BI$ID(D E=ER,(

Como se %a mencionado en los ca$!tulos anteriores5 el dise(o de una $resa de %ardfill com$rende el an/lisis de la estabilidad e4terna y la interna# .l dise(o involucra un $roceso iterativo 7ue im$lica un dise(o $reliminar de la estructura seuido de un an/lisis de la estabilidad e4terna y de esfuer,os# Si la estructura no cum$le con los criterios m!nimos de dise(o5 entonces la sección de la $resa se modifica y se vuelve a anali,ar como se muestra en la Fi )#"# .ste $roceso se re$ite %asta 7ue se alcan,a una sección transversal ace$table# .l an/lisis de la estabilidad y el c/lculo de los esfuer,os en eneral5 se llevan a cabo en la base de la $resa# Si e4isten 6untas débiles o $lanos de desli,amiento en el cuer$o de la $resa5 también deben ser anali,ados $ara cada condición de cara# .n casos 7ue sean a$licables se deber/n considerar las fuer,as din/micas oriinadas $or el material de a,olve5 $ara ello se tomar/ este material como un fluido con $eso es$ec!fico iual al del a,olve5 em$leando el criterio de Housner B"-*8# .n el an/lisis de estabilidad5 se debe tomar en cuenta las condiciones de cara mostradas en la Tabla '#"#


;ise

• •

Po' desli%a$iento sue'%os en la inte'ace &'esaci$entacin

;ise
• • •

odelado nu$?'ico si$ulando el co$&o'ta$iento esttico y s=s$ico de la &'esa ;ete'$inacin de los acto'es de se"u'idad ;es&la%a$ientos en la c'esta y ase de la &'esa

Fi )#" Proceso de dise(o de una $resa de %ardfill


Re7uerimientos enerales# @os re7uerimientos de estabilidad b/sicos $ara todas las condiciones de cara en la $resa son< • ue sea seura contra desli,amiento en cual7uier $lano %ori,ontal5 o casi %ori,ontal5 dentro del cuer$o de la $resa en la base o en la 6unta con la roca de cimentación# • ue los esfuer,os $ermisibles en el %ardfill y en el terreno de cimentación no sean e4cedidos# Se debe cum$lir la condición de cero esfuer,os de tensión en el cuer$o y base de la cortina $ara todas las condiciones de cara en $resas menores a '0m# :ara presas de mayor altura/ para la condición de carga etrema con el (C/ se pueden aceptar tensiones menores/ dada la naturale*a temporal de la carga sísmica/ esta situación 9ueda +uera de este manual.

0.6 Des!izamiento .l factor de seuridad contra desli,amiento se $uede determinar em$leando la ec )#"#"<

FSS =

c A +( 1N −. ) 2 tan ϕ 1H

)#"#" Donde< F(s es el factor contra desli,amiento5 c es la co%esión del %ardfill 0se considera 9ue la condición más des+aorable es la +alla en el $ard+ill/ considerando el alor de diseño del cuerpo de la presa. Es importante notar 9ue en el contacto entre la cortina y la roca de desplante/ es re9uerimiento de diseño incrementar el contenido de cemento del $ard+ill/ como meoramiento de la *ona de apoyo/ por lo 9ue en la inter+a* los alores de co$esión reales/ son más altos 9ue los del $ard+ill usados en el cuerpo de la presa/ esta condición debe eri+icarse durante la construcción/ &b es el /rea de contacto deba6o de la $resa5 la cual se deber/ correir $or e4centricidad de la cara 0&l cumplirse la condición de diseño de cero tensiones en la base de la presa para las condiciones de carga / no será necesario corregir por ecentricidad de la presa

1N es la fuer,a normal5 Bsuma de fuer,as verticales# 1H es la fuer,a cortante total5 Bsuma de fuer,as %ori,ontales#


es la fuer,a de sub$resión actuante en la base

.

0.7 Fuerzas en e! contacto &resacimentaci%n @a $resa de %ardfill debe ser dise(ada evitando esfuer,os de tensión en el contacto $resa1cimentación ante todas las condiciones de cara# .stos esfuer,os $ueden calcularse con la fórmula de la escuadr!a ec )#&#"# σ A ,B =

∑ N 3 M + A

)#&#"

&

Donde< σ A ,B

es la $resión m/4ima y m!nima en la base de la $resa

es el momento resultante debido a sistema de fuer,as verticales y %ori,ontales con res$ecto a un e6e 7ue $asa $or el centro de la base de la $resa5

M +

es la distancia vertical entre la resultante de cada fuer,a y la base de la $resa5

&

es el momento de inercia de la base de la $resa5

A 

/rea de contacto deba6o de la $resa

∑ N

es la resultante de fuer,as normales5 Bsuma de fuer,as verticales

Pt

./e del cent'oide &a'a el c1lculo de $o$ento en la ase

P0e4

9a%4 P0e0

:&0 0a%

y&0

9a%0

+

:a%

ya%

7

u :u


Fi )#& Diarama de fuer,as verticales y %ori,ontales res$ecto a un e6e 7ue $asa $or el centroide de la sección transversal Para verificar 7ue los esfuer,os $resentados en la base de la $resa sean =nicamente de com$resión5 se calcula la $osición de la resultante en la base# @a $osición de la resultante se calcula con la siuiente ec )#&#&< e=

∑ M ∑ N

)#&#&

Donde< e

es la e4centricidad de la resultante medida en la base de la $resa

Cuando la resultante de fuer,as actuantes en la $resa 7ueda fuera del tercio medio5 se eneran tensiones en la base de la $resa# @a relación entre los esfuer,os en la base y la ubicación de la resultante se muestra en la Fi )#'# Para todas las condiciones de cara5 se re7uiere 7ue la resultante a lo laro del $lano de estudio $ermane,ca dentro del tercio medio $ara mantener esfuer,os de com$resión en el material5 y evitar 7ue se eneren rietas en el material de %ardfill#

2 2@3 e

2 2@3 e

100A o$&'esin en la ase. Besultante dent'o del te'cio $edio de la ase

ensiones en la ase Besultante ue'a del te'cio $edio de la ase

Fi )#' Relación entre los esfuer,os en la base y la ubicación de la resultante


0.; Factores de seguridad @os factores de seuridad usados $ara la evaluación de la estabilidad e4terna de la $resa se establecen se=n la Tabla )#"# Tabla )#" Factores de seuridad m!nimos Combinación de caras

>bicación de la resultante en la base

>sual Inusual .4trema

Dentro del tercio medio de la base

.stabilidad $or Desli,amiento

.stabilidad Interna

'#3 B&

&

"#0 B"#&

"#0

"#& B"#3

"#&

.sfuer,os en com$resión en la cimentación5 y cuer$o de la $resa V la ca$acidad de cara del terreno y al esfuer,o $ermisible a com$resión del %ardfill

 Estos +actores de seguridad se permitirán si se llea a cabo un análisis num!rico de la estabilidad de la presa/ en condiciones estáticas y sísmicas. En particular en condiciones sísmicas/ deberán de ser análisis en el dominio del tiempo. ==El es+uer*o permisible a compresión del $ard+ill será determinado por medio de pruebas de laboratorio con+orme a lo descrito en el subcapítulo 2. :ara presas mayores de 3,m/ los es+uer*os máimos permisibles en tensión para la condición de carga etrema con el (C serán de .1 del es+uer*o permisible en compresión.


>. (,<$I)I) DE E)(BI$ID(D I,ER,( .l an/lisis de estabilidad interna en $resas de %ardfill se reali,a $ara determinar la manitud y distribución de esfuer,os y deformaciones en toda la estructura5 ante condiciones de cara est/tica y din/mica $ara aseurar un com$ortamiento estructural adecuado# .l an/lisis de estabilidad interna se $uede reali,ar mediante métodos sim$lificados a$ro4imados5 o an/lisis numéricos sofisticados5 de$endiendo del detalle re7uerido $ara el ti$o de $royecto5 nivel $articular de dise(o5 o ti$o y confiuración de la $resa# Para los dise(os $reliminares se $ueden utili,ar métodos sim$lificados5 ideali,ando la $resa como un modelo de una via en voladi,o $ara un an/lisis bidimensional B>SR5 "-*2# @os an/lisis numéricos se utili,an normalmente $ara las eta$as de detalle y dise(o final# .stos an/lisis consideran de manera m/s realista la interacción 7ue e4iste entre la $resa5 la roca de cimentación5 y las laderas del ca(ón en donde se ubicar/ el $royecto5 asimismo $ermiten modelar eometr!as com$le6as y randes variaciones en las $ro$iedades del material5 as! como el com$ortamiento teórico del %ardfill# >.6 'étodos ana!íticos .l uso de métodos anal!ticos $resenta limitaciones en com$aración con métodos numéricos 7ue simulan de manera m/s adecuada el com$ortamiento de la $resa5 su a$licación se recomienda $ara un an/lisis $reliminar5 an/lisis de $resas $e7ue(as y a7uellas 7ue su falla no re$resente un rieso $otencial en $oblaciones cercanas a la $resa yo un im$acto catastrófico en la reión# Cabe mencionar 7ue en caso de 7ue se realice un an/lisis de la estabilidad mediante métodos anal!ticos5 tendremos 7ue ser m/s conservadores en cuanto a la revisión del estado l!mite de falla# >na forma de $oder evaluar los esfuer,os internos 7ue se eneran en el cuer$o de la $resa es mediante la fórmula de la escuadr!a5 de manera similar a como se efectuó la revisión de esfuer,os en la base de la $resa en la sección )#'5 $ero a%ora obteniendo la sumatoria de fuer,as y momentos a diferentes elevaciones dentro de la cortina5


variando el /rea de la sección transversal A en función de la $rofundidad considerada y eometr!a de la $resa Bver Fi 0#"#

Pt

/es &a'a el clculo de $o$ento ent'e ca&as

Pe Pe

y&

:&

9a%

ya% 9a%

+

:a% 7

u :u

Fi 0#" Diarama de fuer,as verticales y %ori,ontales $ara el c/lculo de momentos a diferentes elevaciones de la $resa >.7 'étodos numéricos .stas metodolo!as dan una me6or a$ro4imación del com$ortamiento de la $resa5 ya 7ue la distribución de esfuer,os dentro del cuer$o de la cortina es función de la relación de riideces de la $resa y el terreno de a$oyo# >na venta6a de este ti$o de métodos es 7ue se $uede modelar f/cilmente la interacción del cuer$o de la $resa con el terreno de cimentación5 tomando en cuenta la %eteroeneidad 7ue $ueda e4istir en él5 as! como un modelado m/s sofisticado del com$ortamiento de los eomateriales# Para este ti$o de an/lisis es com=n em$lear $roramas de cóm$uto basados en el +étodo del .lemento Finito B+.F o el +étodo de Diferencias Finitas B+DF# Su a$licación $uede ser bi o tridimensional# &nálisis de es+uer*os del cuerpo de la presa

.s im$rescindible 7ue en la eta$a de dise(o final se lleve a cabo el an/lisis de esfuer,os dentro del cuer$o de la $resa con modelos numéricos5 $ara tomar en cuenta el $osible im$acto de la deformabilidad de la roca de cimentación en la distribución de esfuer,os y deformaciones en el cuer$o de la cortina# .l an/lisis de esfuer,os del cuer$o de una $resa %ardfill se $uede reali,ar em$leando el +.F o +DF5 ba6o condiciones de cara est/tica y s!smica# @as simulaciones numéricas $ermiten evaluar


directamente los esfuer,os y deformaciones dentro del cuer$o de la $resa Bi#e# cortina5 los contactos con las laderas y terreno de cimentación# .l %ardfill es un material elasto1$l/stico5 $or lo 7ue $uede modelarse con un ley de resistencia bilineal del ti$o +o%r1Coulomb# Se asume en el dise(o un com$ortamiento el/stico antes de alcan,ar la resistencia m/4ima del %ardfill5 y $osteriormente un com$ortamiento fr/il# De acuerdo con la e4$licación anterior5 en una $resa de %ardfill5 la relación entre los módulos de elasticidad del cuer$o de la $resa y del terreno de cimentación tiene un ran im$acto en los esfuer,os enerados en el interior de la $resa5 $or lo 7ue los an/lisis definitivos de esfuer,os internos deben considerar la deformabilidad del terreno de cimentación# .n la Fi 0#& se muestra un e6em$lo de un modelo numérico de una $resa#

C(7)

$+( F+)+( / (6* -=+

Fi 0#& .6em$lo de un modelo de an/lisis de diferencias finitas >.; Eecto de !a geometría de! va!!e @a eometr!a del valle BPinto y Fil%o +ar7ues5 "--85 Giudice et al#5 &333 es un factor 7ue $uede afectar de manera sinificativa el módulo de elasticidad calculado durante la construcción $articularmente en $resas construidas en valles estrec%os 7ue $resentan $endientes relativamente fuertes en los estribos debido $robablemente al efecto de ar7ueo# Para una e4$licación m/s am$lia consultar el ca$!tulo #)#'#


>.0 Esuerzos m#imos &ermisi*!es ante carga est#tica - sísmica Para evitar arietamiento 7ue $ona en rieso la interidad del %ardfill5 los esfuer,os de tensión a lo laro de la base y el cuer$o de la cortina deben ser nulos5 $ara todas las combinaciones de cara# Como criterio de dise(o se evaluar/ 7ue los esfuer,os resistentes sean mayores 7ue los actuantes en todo el cuer$o de la $resa $ara todas las condiciones de cara# >.> Deormaciones &ermisi*!es a corto - !argo &!azo @as deformaciones en el %ardfill deben de mantenerse controladas $ara evitar 7ue se afecte la o$eración de los elementos %idro1electromec/nicos re7ueridos $ara el mane6o del nivel del embalse# @a deformabilidad del %ardfill $uede ser menor 7ue la de la masa de roca en 7ue se a$oya# .l cuer$o de la $resa $uede com$ortarse como un sólido r!ido a$oyado $or un medio m/s deformable5 si las condiciones de cimentación no s on totalmente satisfactorias# .sto $uede enerar tensiones estructurales y arietamiento5 $or lo 7ue el ti$o5 la cantidad y la velocidad de deformación vertical u %ori,ontal de la $resa deben ser estimados en la eta$a de dise(o5 y ser reistrados durante la eta$a de o$eración de la estructura# @a estructura eneralmente debe ser lo suficientemente fle4ible $ara $ermitir las deformaciones estimadas durante su vida =til# Como resultado de las deformaciones de cuer$o de la $resa5 se $ueden $resentar arietamientos en la cara de concreto auas arriba5 $or lo 7ue las deformaciones $ermisibles verticales y %ori,ontales se deber/n restrinir en la eta$a de dise(o $ara lorar esta com$atibilidad de deformaciones entre el cuer$o de la $resa y la cara de concreto# >.5 Consideraciones &ara !a estimaci%n de! com&ortamiento de !a cortina durante !a construcci%nJ &rimer !!enado - o&eraci%n .l $rimer llenado de una $resa constituye una fase im$ortante y delicada de su vida =til5 $or lo 7ue $ara su correcta inter$retación es necesario 7ue esté colocada una adecuada instrumentación antes del inicio del llenado# .l Ineniero res$onsable del $rimer llenado debe contar con un adecuado e7ui$o técnico $ara anali,ar la información reco$ilada de las ins$ecciones visuales5 as! como a7uella a$ortada $or el sistema de instrumentación# .l seuimiento de los datos de instrumentación resulta conveniente efectuarlo semanalmente o con mayor frecuencia en situación de alerta# De forma es7uem/tica5 los traba6os 7ue conlleva el seuimiento del $rimer llenado $ueden resumirse de la siuiente manera< 1Revisión eneral del sistema de instrumentación5 1Informe de com$ortamiento $revio a la $uesta en cara5 1An/lisis de instrumentación y seuimiento del com$ortamiento# 1Informe final de llenado


Para una e4$licación m/s am$lia del com$ortamiento de una cortina durante el $rimer llenado del embalse ver ca$!tulo #)#'#


68


5.

(,<$I)I) 8 DI)E1O )3)'ICO

5.6

Consideraciones genera!es

$a revisi%n de una &resa de hardi!! ante condiciones sísmicas de*e considerar dos nive!es de intensidad deinidos &or e! sismo *ase de o&eraci%n )BO - e! sismo m#imo creí*!e )'C. E! &rimer evento )BO est# asociado a un &eriodo de retorno de 600 aos mientras que e! )'C est# asociado a 6AAAJ 7AAAJ 0AAA - hasta 6AAAA aos de &eriodo de retorno de&endiendo de !a zona donde se u*ique e! &ro-ecto - e! riesgo ace&ta*!e. Es usua! que una vez deinido e! es&ectro de &e!igro uniormeJ E24J &ara am*os escenarios sísmicosJ sea necesario !!evar a ca*o !a generaci%n de sismos sintéticosJ considerando a! menos seis sismos semi!!a de !as zonas sismogénicas que contro!en e! riesgo sísmico en !a zona de &ro-ectoJ con un método de ajuste en e! dominio de! tiem&o. $a metodo!ogía &ara o*tener !os E24 - !as historias de ace!eraciones sintéticas se &resenta en e! ca&ítu!o C.6; KDiseo &or sismoL. 5.7

Esta*i!idad en términos de esuerzos - deormaciones de !a cortina

!.2.1

"#todo seudo$estático

.l ob6etivo b/sico del an/lisis $seudoest/tico de estabilidad es determinar la res$uesta de la $resa ante desli,amiento5 as! como los esfuer,os transmitidos al terreno de cimentación# .l método $seudoest/tico no reconoce la naturale,a oscilatoria de las caras s!smicas# Por lo tanto5 es eneralmente ace$tado reali,ar la revisión de estabilidad usando una aceleración es$ectral de dise(o5

S ad 7ue fluct=a

eneralmente entre el 03 y 2*M del valor del coeficiente s!smico5 c 5 del es$ectro de dise(o corres$ondiente BFiura 2#"#

69

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE B..% DISEÑO DE $RESAS DE !ARDFILL 0.5

c

s

0.4

" , a S , l a ' t c 0.3 e & s e n 3 i c a ' 0.2 e l e c +

S C0.67 c ad

S C0.5 c ad

0.1

a

0

0 0

1

2 3 Pe'iodo, , s

4

Fi 2#" Determinación de la aceleración es$ectral de dise(o5 est/tico

5

S ad Ban/lisis $seudo1

.l an/lisis $seudoestatico es el método m/s usado en el dise(o $reliminar de $resas de %ardfill debido a su sim$licidad5 lo 7ue conlleva a cierto rado de incertidumbre incertidumbre en la determinación de la estabilidad de la $resa# !.2.2

"#todo seudo$dinámico seudo$dinámico esectral

.l método de an/lisis $seudo1din/mico es$ectral es conce$tualmente similar al an/lisis $seudo1est/tico e4ce$to $or7ue éste s! toma en cuenta la am$lificación din/mica de las fuer,as de inercia %ori,ontales a lo laro de la altura de la $resa de %ardfill debido a su fle4ibilidad# Para determinar la aceleración es$ectral de dise(o

S ad es necesario

calcular el $eriodo fundamental de vibración de la $resa de %ardfill5 4 ph 5 el cual $uede determinarse em$leado $a7uetes de cóm$uto de an/lisis estructural# es tructural# .n el an/lisis $seudo1din/mico el ambiente s!smico del sitio se caracteri,a en función del es$ectro de $eliro uniforme5 .P># >na ve, conocido el S ad

70

como se muestra en la Fiura 2#&#

4 ph y el .P>5 se obtiene

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE B..% DISEÑO DE $RESAS DE !ARDFILL 0.5 PD c

s

0.4

" , a S , l a ' t c 0.3 e & s e n 3 i c a 0.2 ' e l e c +

0.1

a

0

0



&

0

1

2 3 Pe'iodo, , s

4

Fi 2#& Determinación de la aceleración es$ectral de dise(o5 din/mico

5

S ad Ban/lisis $seudo1

Como $uede observarse en la Fi 2#& / S ad de$ende de la riide, del sistema $resa1 $r esa1 embalse1cimentación# .s decir5 si la $resa es muy fle4ible su $eriodo fundamental de vibración es mayor5 mayor 5 lo 7ue $odr!a5 en alunos casos5 re$resentar coeficientes s!smicos menores a los considerados en el an/lisis $seudo1est/tico# En el caso de 9ue los +actores de seguridad contra despla*amiento sean menores 9ue los +actores de seguridad permisibles/ es necesario modi+icar la geometría del cuerpo de la presa. En algunos casos tambi!n es posible incluir elementos estructurales tales como dentellones u otra estructura similar 9ue incremente la estabilidad de la presa de $ard+ill ante acciones sísmicas.

!.2.3

"#todos en el dominio del tiemo

.l an/lisis de una $resa de %ardfill en el dominio del tiem$o se $uede desarrollar en $a7uetes comerciales de modelado tridimensional de diferencias finitas5 los cuales discreti,an un medio dividiéndolo en elementos $e7ue(os cuyas fronteras se definen como $untos nodales y asumiendo 7ue la res$uesta del medio $uede ser descrita $or la res$uesta de los $untos nodales# .l an/lisis a n/lisis en el dominio del tiem$o se basa en la solución de la ecuación de movimiento Bec 2#"5 usando masas concentradas en los $untos de la malla derivados de la densidad real r eal de los eo1materiales simulados# .sta formulación $uede ser aco$lada a modelos estructurales $ara determinar deter minar la interacción suelo estructura $rovocada $or los movimientos s!smicos#

71


5 x´ + c ´ x + (x =−5 +´

B2#"

Donde 5

matri, de masas

c

coeficiente de amortiuamiento

(

coeficiente de riide,

x´

aceleración del $unto nodal

x´

velocidad del $unto nodal

x

des$la,amiento del $unto nodal

−5 +´

fuer,a de inercia inducida en la base del sistema

.l sismo suele re$resentarse con ondas $lanas 7ue se $ro$aan %acia arriba arr iba a través del material subyacente# @as condiciones de frontera laterales del modelo deben tener en cuenta el movimiento en cam$o libre 7ue e4istir!a en ausencia de la estructura BFi 2#'# .n alunos casos5 $ueden ser suficientes las condiciones de frontera elementales# .stos l!mites deben ser colocados a distancias suficientes $ara minimi,ar los refle6os de ondas y lorar condiciones de cam$o libre# Para materiales con alto $orcenta6e de amortiuamiento esta condición se $uede obtener con una distancia relativamente $e7ue(a BSeed et al#5 "-*0# 1 + = 5 0 * 6 ( C 1 + = 5 0 * 6 ( C

O)/( S36-(

Fi 2#' +odelo $ara el an/lisis s!smico

!.2.4 72

%eterminación de las resiones &idrodinámicas


.n la evaluación de la estabilidad de la $resa ante cara din/mica la determinación de las $resiones %idrodin/micas debe tomarse en cuenta utili,ando métodos de an/lisis como los $ro$uestos $or Wanar "-0' y Housner B"-*8# Criterio simpli+icado propuesto por >ousner 01;%)

@a metodolo!a $ro$uesta $or Housner es otra alternativa sim$le $ara la determinación de las $resiones %idrodin/micas 7ue act=an sobre el cuer$o de $resas con caras inclinadas# .n el estudio se consideran diferentes confiuraciones eométricas# @as $resiones %idrodin/micas se estiman em$leando la ecuación 2#&< e =# p 6 a0 h

B2#&

Donde C p es el coeficiente 7ue de$ende de la $endiente de la cara de la $resa y de la $rofundidad5 6

es la densidad del aua5

h es la altura del embalse# .l coeficiente de $resión5

dirección 4 durante un sismo y # p

a0 es la aceleración %ori,ontal en

se determina em$leando los diaramas mostrados en la Fi 2#)

1.0

0.9

0.8

h

? 0.7

0.6

h / y

0.5

0.4 75 0.3

? C 15

30

45

90

60

0.2

0.1

0 .1

0.2

0. 3

0 .4

0. 5

0 .6

0 .7

0 .8

0. 9

1. 0

Cp

Fi 2#) Coeficiente de $resión5 C $ 5.;

Eva!uaci%n de !a res&uesta sísmica de !a cara de concreto

73


Conocer el com$ortamiento de las $resas de %ardfill con cara de concreto resulta ser de suma im$ortancia ante solicitaciones din/micas y $rinci$almente el efecto de un sismo severo en el elemento im$ermeable de este ti$o de cortinas5 el cual est/ interado $or un sistema de $aneles o losas de concreto y 6untas constructivas Bverticales5 %ori,ontales y $erimetral# Aun7ue casi toda el /rea de la membrana se encuentra a com$resión bia4ial al final del llenado del embalse5 e4isten ,onas de tensión5 $rinci$almente cerca de los taludes del valle5 7ue $rovocan la se$aración o la abertura de 6untas5 as! también como el arietamiento $otencial del concreto# Cuando la cortina est/ e4$uesta a un sismo5 estos des$la,amientos de 6untas y fisuras en el concreto $ueden desarrollarse %asta llear a rom$er los sellos yo se formen rietas randes5 $ermitiendo una infiltración m/s co$iosa de aua a través de la cara de concreto# 5os modelos num!ricos son los 9ue $an aportado al conocimiento sobre el comportamiento sísmico de presas de $ard+ill. :ara moimientos sísmicos en la dirección del ee de la cortina/ la de+ormación de la losa es muy di+erente al del $ard+ill/ por la di+erencia de rigideces de ambos materiales. El moimiento del $ard+ill en la dirección del ee de la cortina es restringido por la losa de concreto de mayor rigide*/ y por consiguiente se transmiten +uer*as de membrana de la cortina a la losa 0e+ecto de ar9ueo. 5as +uer*as sísmicas 9ue pueden trans+erirse del $ard+ill a la losa de concreto están limitadas por las +uer*as de +ricción 9ue se desarrollan en el contacto entre tales elementos. #ebido al $ec$o 9ue la carga de agua es completamente soportada por la cara de concreto/ estas +uer*as de +ricción son bastante altas y/ de a$í 9ue puedan desarrollarse es+uer*os importantes en el plano de la losa/ y por lo tanto las untas erticales pueden ser es+or*adas altamente/ proocando +allas por cortante o por tensión/ lo 9ue incluso puede ocasionar daños considerables en la unta perimetral y en el plinto. En el caso etremo/ los elementos de la losa pueden dislocarse 0er Fig 6.,/ y a pesar de 9ue esto
74

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE B..% DISEÑO DE $RESAS DE !ARDFILL Fig 6., #islocaciones en los elementos de concreto del reestimiento de un canal en -ai@an/ sismo del 21 de septiembre de 1;;; 0omo/ 2,

5.0

Eva!uaci%n de !os esuerzos transversa!es en !os &ane!es de concreto

De an/lisis numéricos 7ue se %an llevado a cabo BSarmiento5 &3"" $odemos saber 7ue $or lo eneral toda la cara de concreto se encuentra en com$resión bia4ial al final del llenado del embalse5 aun7ue e4isten ,onas de tensión $rinci$almente en las m/renes cerca del $linto5 donde también ocurren las mayores aberturas en 6untas verticales y $erimetral# Resulta im$ortante determinar el incremento de estos esfuer,os5 cuando el movimiento s!smico ocurre en la dirección del e6e del cauce o en la dirección del e6e de la cortina# @a Fi 2#2 muestra la variación de los esfuer,os transversales5 σ + 5 en los $aneles de concreto $ara las condiciones al final del llenado del embalse y $or llenado m/s sismo# De estos resultados se a$recia 7ue los $untos P1"5 P1& y P1' Blosa @1" $ermanecen a com$resión durante las condiciones de cara# Por otro lado5 los $untos P1) al P18 Bubicados a una misma elevación dentro de la cara de concreto5 ,H O 3#8 est/n sometidos a ciclos de com$resión1tensión5 y sus manitudes aumentan a medida 7ue las losas se acercan a las fronteras laterales# .sto $rovocar/ ciclos intensos de aberturas1cierres en el tercio su$erior de las 6untas verticales en esta ,ona5 $or lo 7ue el dise(o del elemento $ara $roteer las 6untas Bsellos debe ser tal 7ue sea ca$a, de so$ortar estos movimientos c!clicos#

75


Fi 2#2 :ariación de los esfuer,os transversales en alunos $untos de la cara de concreto $or llenado m/s sismo5 cuando la e4citación sólo considera la com$onente en dirección 1?1 5 o en la dirección XY1BSarmiento5 &3"" 5.> Estimaci%n de !as a*erturas de !as juntas vertica!es - eva!uaci%n de !os des&!azamientos a !o !argo de !a junta &erimetra! Para la determinación de la manitud de la abertura de las 6untas verticales se reali,ar/n an/lisis a$licando la e4citación s!smica en las dos direcciones %ori,ontales5 normal y $aralela al e6e de la cortina# De resultados de estudios con modelos numéricos se observa 7ue las mayores aberturas se $resentar/n en el tercio su$erior de la cara de concreto5 siendo m/s sinificativas en las ,onas cercanas a las laderas de la bo7uilla BSarmiento5 &3""# Para una e4$licación m/s am$lia ver ca$ #)#'#

76


5.5

Eecto de es&aciamiento entre juntas en !a res&uesta sísmica

.l com$ortamiento s!smico de la cara de concreto y del cuer$o de la $resa de$enden de sus caracter!sticas de fle4ibilidad5 $or lo cual se $uede considerar 7ue el es$aciamiento entre 6untas verticales influye de manera im$ortante5 $rinci$almente en los esfuer,os transversales 7ue se desarrollan en los $aneles de concreto5 y $or consiuiente en las aberturas y cierres en las 6untas constructivas# Para una e4$licación m/s am$lia ver ca$ #)#'#

77


:. ()2ECO) CO,)R4CIO) DE DI)E1O @a estructura de una $resa tra$ecial %ardfill5 como su nombre lo indica5 se forma b/sicamente $or %ardfill5 $rotecciones de concreto $ara la corona y los taludes auas arriba y auas aba6o5 una estructura de concreto $ara el control de filtraciones en la $arte inferior del talud auas arriba5 me,cla de %ardfill con alto contenido de cemento en el contacto con la roca de cimentación5 aler!a de ins$ección e inyecciones de lec%ada B$rinci$ales y au4iliares# Concreto de protección

.l concreto de $rotección es colocado en la su$erficie del cuer$o de la $resa %ardfill tra$ecial $ara aranti,ar su durabilidad# >n e6em$lo de la estructura de $rotección y de las 6untas de contracción se muestra en la Fi# *#"# Espesor de la estructura de protección

>na $resa %ardfill tra$ecial es una tecnolo!a donde5 simult/neamente5 se %ace una racionali,ación del dise(o5 de los materiales y se dise(a en su totalidad $ensando en una racionali,ación de la e6ecución# .l es$esor de la estructura de $rotección debe ser tal 7ue no se afecte la traba6abilidad# .l es$esor de la estructura de $rotección usualmente es de & m5 $ara $oder considerar la durabilidad ba6o condiciones ambientales5 y también se debe considerar la traba6abilidad durante la colocación de los elementos $refabricados en los taludes auas arriba y auas aba6o#

79


Fi# *#" .structura t!$ica de $rotección de la $resa Bunidades en mm @a fiura *#" muestra una estructura t!$ica de una $resa de %ardfill5 el es$esor final de cada ca$a estar/ condicionado al tama(o m/4imo del areado y mane6abilidad de la me,cla# Para evitar $roblemas de sereación y la eneración de vac!os durante la colocación5 se recomienda utili,ar un tama(o m/4imo de areado de *#0 cm5 con ca$as de "0 cm de es$esor m!nimo# De cual7uier forma5 se debe cum$lir una relación m!nima entre el es$esor de la ca$a y el tama(o m/4imo del areado de &5 y aseurarse la mane6abilidad de la muestra5 7ue decrecer/ en función del incremento del areado m/4imo5 $or lo 7ue en muc%os casos es m/s conveniente y económico eliminar el areado mayor a *#0 cm5 de ser factible# 5as presas -obetsu en >oAAaido y BAuAubi en BA ina@a/ son los casos más antiguos donde el espesor de la protección se eligió tomando como prioridad la +uncionalidad/ pero tambi!n considerando cambios en las condiciones climáticas? 5as protecciones de las presas -obetsu y BAuAubi presentan espesores de 1., y 1 m/ respectiamente. :ero/ el espacio para la eecución era estrec$o/ como se muestra en la Fig. %.2/ condición 9ue $i*o 9ue disminuyera abruptamente la trabaabilidad como la limpie*a durante los trabaos de colocación de los elementos pre+abricados 9ue +orman la estructura de protección. (e decidió 9ue se tenía 9ue meorar la trabaabilidad para llear a cabo la eecución en un espacio tan estrec$o/ por9ue se re9uería reali*ar una serie de tareas muy complicadas para obtener la calidad re9uerida. 'ásicamente/ se optó por tener elementos pre+abricados con dos metros de anc$o para no lidiar con estos problemas.

81


Fig. %.2 nstalación de pre+abricados y trabaos de colocación

@a inclinación de la estructura de $rotección es b/sicamente la misma 7ue las de los taludes auas arriba y auas aba6o5 esto $ensando en la traba6abilidad y en una futura racionali,ación de los elementos 7ue la forman# @a estructura de $rotección lleva 6untas5 $aralelas al e6e de la $resa5 a intervalos de "0 m $ara evitar la a$arición de rietas5 también se instalan $rotecciones $rinci$ales y au4iliares $ara evitar el $aso del aua Bsellos< Zatersto$s5 tubos de drena6e5 tal y como se %ace en una $resa de ravedad de concreto# .l es$esor de la estructura del $rotección5 en la ,ona de 6untas5 es de � m BFi# *#'# >na $arte de los sellos se encuentra en contacto con la roca de cimentación# Se fi6an em$leando mortero# Se anclan en la roca de cimentación en un es$esor de 03 cm5 $ero esto de$ender/ del estado de la roca BFi# *#'#

83


unidades en mm

Fi# *#' Proceso de tratamiento $ara la $arte de los sellos en contacto con la roca de cimentación# Estructura de la parte superior del talud

@a estructura de la $arte su$erior del talud tiene un ran im$acto sobre la estructura de $rotección5 desde el $unto de vista de los traba6os de colocación BFi# *#) y *#0#

85


Fi# *#) Detalles de escala de e6ecución en el final del talud

Fi# *#0 .6ecución del final del talud Concreto para control de +iltraciones 0pantalla impermeable

a6o el talud auas arriba5 al nivel del fondo de la $resa5 se coloca una $antalla im$ermeable Ba base de concreto $ara aranti,ar la estan7ueidad en el contacto del cuer$o de la $resa con la roca de cimentación y colocando inyecciones de mortero en la roca de cimentación5 tal y como se %ace en una $resa de ravedad5 $ara controlar las filtraciones y e4tender la red de flu6o#

87

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE B..% DISEÑO DE $RESAS DE !ARDFILL ango de instalación de la pantalla impermeable

Antes de 7ue se colo7ue la $antalla im$ermeable y una ve, 7ue se %a terminado la e4cavación $ara alcan,ar la roca de cimentación5 se coloca una ca$a de mortero# .sto $reviene 7ue se filtre aua %acia la $resa %ardfill en la $arte auas arriba# >na $arte de la $antalla im$ermeable debe salir de la base de la $resa5 %acia aua arriba5 esta lonitud ser/ la necesaria $ara 7ue se $uedan alo6ar dos l!neas de inyecciones de mortero# @a lonitud de la $antalla 7ue 7uedar/ inmersa en el cuer$o de la $resa de$ender/ del tama(o de las instalaciones Baler!a de ins$ección y tubos de drena6e5 esta lonitud es de alrededor de "0 m5 $ero su lonitud de$ender/ randemente de los resultados de un an/lisis de $ermeabilidad de la roca de cimentación# Adicionalmente se $odr/ colocar una ca$a de mortero5 la lonitud de esta ca$a ser/ de 3#' a 3#) veces la altura de la $resa# De manera eneral5 el es$esor de la $antalla es de alrededor de & m# .n la Fi#*#2 se muestra la confiuración de la $antalla im$ermeable y del tratamiento a la roca de cimentación#

Fi# *#2# Confiuración de la $antalla im$ermeable y del tratamiento a la roca de cimentación 01 Consideraciones cuando se diseña la pantalla impermeable

De manera eneral5 la $antalla im$ermeable se construye $rimero5 $ara dar luar a una racionali,ación de la construcción de la $resa %ardfill tra$ecial5 $ero adem/s deben construirse 6untas entre la $antalla im$ermeable y el %ardfill o concreto estructural# @os siuientes $untos deben ser considerados en el dise(o de la $antalla im$ermeable< •

Ya 7ue la aler!a de ins$ección se coloca sobre la $antalla im$ermeable5 se debe estudiar su locali,ación5 en relación con la ubicación de la aler!a5 de las 6untas de construcción# 89

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE B..% DISEÑO DE $RESAS DE !ARDFILL • •

•

@as 6untas constructivas de la $antalla im$ermeable deben colocarse en m=lti$los de tres metros BFi# *#*# Para aranti,ar la construcción en la ,ona de los taludes5 se debe considerar 7ue la $antalla en la cercan!a con el lec%o del r!o tena un anc%o de al menos 0m# @a forma de la e4cavación debe ser dise(ada $ara 7ue la $orción donde la $antalla im$ermeable se a$oya sobre la roca de cimentación sea $lana# A $artir de la cara auas aba6o de la $antalla im$ermeable se debe de6ar una $orción %ori,ontal de a$ro4imadamente oc%o metros de lonitud BFi# *#85 $ara $oder colocar y com$actar adecuadamente el %ardfill5 en esta ,ona se debe considerar 7ue la $antalla im$ermeable tena una forma reular5 se deben evitar escalonamientos BFi# *#-#

Fi# *#* Dis$osición de la $antalla im$ermeable

Fi# *#8 Anc%o necesario $ara construcción de la $resa en la $arte auas aba6o de la $antalla im$ermeable 91


Fi# *#- Dis$osición de la su$erficie auas aba6o de la $antalla im$ermeable Concreto estructural

Alrededor de las estructuras 7ue se encuentran dentro del cuer$o de la $resa se coloca concreto estructural# .n la Fi# *#"3 se muestra un e6em$lo de la colocación de concreto estructural alrededor de la aler!a de ins$ección5 el es$esor sobre la aler!a de$ender/ de los es$esores de %ardfill y de concreto5 se $ro$one sea de "#&0 m#

Fi# *#"3 .6em$lo $ara la colocación de concreto estructural alrededor de la aler!a de ins$ección +e,cla de %ardfill con alto contenido de cemento .n la $arte donde la $resa %ardfill se a$oya sobre la roca de cimentación se coloca una me,cla de %ardfill con alto contenido de cemento5 $ara nivelar esta ,ona llenando cual7uier irreularidad $resente en la su$erficie de la roca de cimentación5 con esto se me6ora la resistencia al desli,amiento y la durabilidad# .l contenido de cemento de esta ca$a de$ende de las caracter!sticas de la roca de cimentación5 sin embaro5 suele estar formada $or alrededor de "33 Km' de cemento# De acuerdo con el estado de la roca de cimentación5 con la $resencia o ausencia de aua5 o el estado de su su$erficie5 entre otras $ro$iedades5 %ay casos donde es com$licado colocar y com$actar el 93


%ardfill5 en estos casos es recomendable rellenar las discontinuidades de la roca de cimentación $ara facilitar la tarea de colocación del %ardfill# Dariación de las me*clas de $ard+ill

.n la me,cla 7ue forma el %ardfill se debe $ro$oner b/sicamente el contenido de cemento con el 7ue se alcance la resistencia calculada en el an/lisis de esfuer,os en el cuer$o de la $resa# Generalmente5 las solicitaciones en la $arte su$erior de la $resa son menores 7ue las corres$ondientes al fondo de la misma5 basado en esto es $osible variar el contenido de cemento de la me,cla en función de los esfuer,os enerados en el interior de la $resa# Ya 7ue en la me,cla de %ardfill e4isten diferentes elementos 7ue var!an como la ranulometr!a y el contenido de aua5 en función de esta variación también var!a la resistencia# .ntonces5 el contenido de cemento se $odr/ cambiar en intervalos de &3 Km '5 iniciando en 83 Km '# .l l!mite inferior de contenido de cemento ser/ de 23 Km '# .l dato anterior se debe a 7ue $ara un contenido de cemento menor a 23 Km '5 el rano el/stico no se define adecuadamente en una curva esfuer,o deformación obtenida de una $rueba de com$resión sim$le# nyecciones de mortero/ principales y auiliares

Para aranti,ar la estan7ueidad de la roca de cimentación se colocan inyecciones de mortero $rinci$ales y au4iliares# @as inyecciones $rinci$ales se reali,an desde la ,a$ata auas arriba o desde la aler!a de ins$ección# @as inyecciones secundarias se colocan desde la $antalla im$ermeable# Se colocan dos l!neas de inyecciones au4iliares como com$lemento a los tubos de drena6e ubicados en el lado auas aba6o# @a confiuración de estas inyecciones es a cada cinco metros en la dirección del e6e de la $resa y a cada tres metros en la dirección auas arriba 1 auas aba6o5 $ero su se$aración definitiva se define en función de la $ermeabilidad de la roca de cimentación# .n la ,ona de la aler!a de ins$ección5 los tubos de drena6e se colocan $ara reducir la sub1$resión BFi# *#""#

95


Fi# *#"" Instalación de las inyecciones $rimarias y au4iliares

untas transersales del $ard+ill

Se forman 6untas transversales en la dirección 7ue va del lec%o i,7uierdo al derec%o del r!o5 ya 7ue en esta dirección se oriinan esfuer,os de tensión causados $or efectos de tem$eratura# .stas 6untas se forman a intervalos constantes de "33 m las cuales deben coincidir con las uniones de la estructura de $rotección BFi# *#"&#

Fi# *#"& .s7uema de la colocación de la 6untas en una $resa %ardfill tra$ecial Forma de la ecaación 9ue aloará la cimentación

@a $laneación de la e4cavación se reali,ar/ $ensando en facilitar la colocación y com$actación del %ardfill5 as! como la formación de los taludes finales de la $resa y también en esta tarea se debe considerar 7ue las $orciones de la e4cavación sean lo m/s $lanas $osibles y 7ue tenan al menos oc%o metros de lonitud BFi# *#"'# @a e4cavación en la ,ona de a$oyo de la $antalla im$ermeable debe ser lo m/s $lana $osible#

97


Fi# *#"' Distancia necesaria $ara correcta colocación del %ardfill Se debe considerar en el $roceso de construcción 7ue se cuele concreto en la cercan!a de las tuber!as de descara y en los canales ubicados dentro del cuer$o de la $resa BFi# *#")#

Fi# *#") Sección lonitudinal de la e4cavación :.6 Condiciones &ara !a cimentaci%n de !a cortina Por condiciones $articulares de este ti$o de $resas es factible 7ue se a$oyen directamente sobre los materiales $resentes en el cauce del r!o Baluvión o sobre roca# Sin embaro5 en ambos casos debe a$licarse un tratamiento su$erficial a los materiales sobre los 7ue se a$oyar/ la $resa# .ste tratamiento de la cimentación consiste en colocar una me,cla de Hardfill con alto contenido de cemento5 7ue tienen como finalidad nivelar la ,ona del des$lante5 al rellenar cual7uier irreularidad $resente en la su$erficie de la roca de cimentación5 con lo 7ue adem/s se $uede me6orar la resistencia al desli,amiento y la durabilidad# .l contenido de cemento de esta ca$a de$ende de las caracter!sticas de la roca de cimentación5 sin embaro5 suele estar formada $or alrededor de "33 Km' de cemento# De acuerdo con el estado de la roca de cimentación5 $resencia o ausencia de aua5 estado de su su$erficie5 entre otras $ro$iedades5 %ay casos donde es com$licado colocar y com$actar los materiales 99


7ue la interan5 en estos casos es recomendable rellenar $reviamente las discontinuidades de la roca de cimentación con lec%ada $ara facilitar la tarea de colocación de los materiales# :.7 Requisitos mínimos en e! diseo de !a cortina '.2.1 (nc&o de la corona

Por ra,ones constructivas5 adem/s de la necesidad de tener acceso a las estructuras de la $resa y la $osibilidad de sobrelevaciones futuras5 es recomendable 7ue la corona tena5 $or lo menos un anc%o de 8 m# .sta $arte de la cortina se cubre con una ca$a de material de rodadura 7ue $ermita el tr/nsito de ve%!culos y ma7uinaria en todo momento# .l es$esor de la cubierta debe ser '3 cm o mayor y se le $ro$orciona bombeo transversal $ara facilitar el escurrimiento del aua de lluvia# .l anc%o m!nimo de 8 m5 se establece $ara 7ue la ma7uinaria tena el suficiente es$acio $ara transitar y 7ue lo %aa con seuridad BFi# *#"0# .n el anc%o de 8 m se considera el es$esor de la estructura de $rotección BFi# *#"2#

Fi# *#"0 Anc%o necesario $ara la colocación del %ardfill BND.C5 &3"&

101


2.5 $

Fi# *#"2 Anc%o de la corona de una $resa %ardfill de sección tra$ecial BND.C5 &3"& '.2.2 )ordo libre

@a determinación del bordo libre re7uiere de la determinación de la altura de las olas5 7ue se encuentra en función de la velocidad y tiem$o de acción del viento# @a altura de las olas es alterada $or un incremento o decremento en el nivel del embalse# @a cota de la corona de la cortina se determina en función del nivel de auas e4traordinario5 de la altura re7uerida $ara 7ue el bordo libre absorba la fluctuación del nivel del aua en el embalse causada $or el viento o efectos s!smicos5 y $or la $érdida de altura de la cortina causada $or la rotura de $art!culas5 la densificación de los materiales debido a la ravedad yo la acción s!smica y asentamientos de la cimentación# También5 dada la im$ortancia de la cortina y las condiciones eolóicas de la ,ona5 $uede ser im$ortante considerar los efectos de $osibles desli,amientos de masas de tierra 7ue entren al vaso de la $resa5 lo cual $odr!a causar el sobre$aso de la cortina B+arsal "-*'# @a determinación del nivel de bordo libre necesario $ara absorber las fluctuaciones del embalse se trata en el Ca$!tulo A#&#- en la sección de %idr/ulica de este manual# *.2.3 +istema de drenes

.l ob6etivo de los filtros y drenes usados como medidas de control de filtraciones en las estructuras térreas5 es controlar eficientemente el movimiento de aua dentro y fuera de ellas# Para satisfacer este ob6etivo5 los filtros y drenes deben5 durante la vida =til del $royecto y con un mantenimiento adecuado Bm!nimo5 retener el material $roteido5 $ermitir la relativa circulación libre del aua5 y tener suficiente ca$acidad de descara# @os términos de filtro y dren se usan a veces de manera intercambiable# Alunas definiciones clasifican los filtros y drenes $or su función# .n este caso5 los filtros deben retener el suelo $roteido y tener una $ermeabilidad mayor 7ue el mismo5 $ero no necesitan tener un flu6o en $articular o una cierta ca$acidad de descara $uesto 7ue el flu6o es $er$endicular a la interfa, entre el suelo $roteido y el filtro# @os drenes5 adem/s de satisfacer los re7uisitos de los filtros5 deben tener una ca$acidad de descara adecuada ya 7ue éstos colectan las filtraciones y las conducen a un $unto o /rea de descara# >na e4$licación m/s am$lia sobre drenes se encuentra en el ca$ #&#-# 103


@.

I,)R4'E,(CI/, 8 'O,IOREO

@.6

O*jetivo de !a instrumentaci%n

.l $ro$ósito de la instrumentación y el monitoreo de una $resa de %ardfill5 es el mantener y me6orar la seuridad de las $resas5 $ro$orcionando información $ara< " evaluar si una $resa est/ funcionando como se es$eraba y & advertir de cambios 7ue $odr!an $oner en $eliro la seuridad de una $resa# @as $rinci$ales fallas e incidentes en las $resas %ardfill son< −

− − − −

Desbordamiento debido a la insuficiente ca$acidad del vertedero5 la obstrucción del mismo o un e4ceso de asentamientos $or la erosión del terra$lén# .rosión de los terra$lenes debido a la falla del vertedero5 o fallo de los conductos de salida $rovocando fuas en las tuber!as# Desli,amientos de taludes debido a $endientes $ronunciadas5 $resencia de filtración o $reci$itaciones# Arietamiento debido a la diferencia de los asentamientos y @icuación

@a instrumentación y monitoreo5 combinadas con una viilancia visual $ueden $ro$orcionar una alerta tem$rana de muc%as condiciones 7ue $ueden contribuir a un incidente o incluso a la falla de una $resa# :or eemplo/ los asentamientos de la cresta pueden aumentar la probabilidad de desbordamiento/ el aumento de la +iltración o la turbide* podrían indicar un +allo de las tuberías/ el asentamiento de la cresta o el abultamiento de taludes pueden indicar despla*amientos o de+ormaciones. :or el contrario/ la +alta de +enómenos 9ue normalmente se presentan tambi!n pueden indicar problemas potenciales/ por eemplo la +alta de +iltración en un sistema de drenae podría indicar 9ue la +iltración se produce en un lugar donde no se esperaba o contemplaba por parte del diseñador.

105


@os datos $ro$orcionados $or la instrumentación se utili,an $ara< − − − − − −

@.7

Caracteri,ar de las condiciones de sitio antes y des$ués de la construcción :erificar dise(os y an/lisis su$uestos .valuar el com$ortamiento durante la construcción5 $rimer llenado y o$eración de la estructura .valuar el desem$e(o de las caracter!sticas es$ec!ficas del dise(o 9bservar el desem$e(o de las anomal!as eolóicas y estructurales conocidas .valuar el desem$e(o con res$ecto a los modos de fallo $ro$ios del sitio aria*!es a monitorear - ti&o de instrumentaci%n

.n esta sección se discuten las variables de interés b/sicos con res$ecto a la inenier!a y los ti$os es$ec!fico de instrumentación 7ue se utili,a $ara $oder cuantificar dic%as variables# *.2.1

%esla,amientos

@os des$la,amientos 7ue nos interesa estudiar en una $resa $ueden dividirse en< des$la,amiento en la su$erficie5 des$la,amiento interno y des$la,amiento de 6unta o rieta# Dado 7ue $uede ocurrir en cual7uier dirección5 las mediciones en tres direcciones $er$endiculares entre s! son necesarias $ara determinar con $recisión el vector de movimiento# .l des$la,amiento en la su$erficie se define como el movimiento %ori,ontal o vertical de un $unto en la su$erficie de una estructura con res$ecto a un $unto fi6o fuera de la estructura# Se determina eneralmente $or al=n ti$o de levantamiento to$or/fico# .l des$la,amiento interno se define como el movimiento %ori,ontal o vertical dentro de la estructura# Se determina $or lo eneral en relación con al=n $unto de la estructura o en la cimentación# .l des$la,amiento en 6untas o rietas se define como el movimiento %ori,ontal o vertical de una $arte de la estructura con res$ecto a otra $arte de la misma estructura# Se mide $or lo eneral a través de las 6untas o rietas de las estructuras de concreto o de tierra# @os tubos o cables $ara los dis$ositivos de medición de des$la,amiento deben ser instalados $ara evitar el desarrollo de rutas de filtración a lo laro o $or medio de ellos ya 7ue se deterioran# Control de nivel @os des$la,amientos su$erficiales verticales se miden com=nmente $or nivelaciones diferenciales convencionales5 los $untos de medición com=nmente se establecen en la cresta o laderas de la $resa5 los cuales son eneralmente se(alados $or barras de acero incrustados en concreto o como sim$les marcas en el concreto# @os cambios de elevación entre los $untos de medición y los de control se miden utili,ando niveles y barras5 $or lo eneral los métodos de medición y los e7ui$os deben ser lo suficientemente $recisos $ara detectar movimientos del orden de '3 mm5 los niveles

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de $recisión dotados de micrómetro se utili,an eneralmente $ara las estructuras de concreto# Control de alineación @os des$la,amientos su$erficiales %ori,ontales se miden com=nmente como com$ensaciones de una l!nea de base# @os mismos $untos de medición utili,ados $ara el control del nivel se utili,an normalmente $ara el control de la alineación# .l método y e7ui$o utili,ado de$ende del ti$o de $resa y la $recisión deseada5 $ara ello varias l!neas de $untos de medición Bde - a "* se establecen a lo laro de la cresta y de la cara de la $resa5 estos $untos de medición son fi6os# +onumentos de instrumentación y de ob6etivo son establecidos en los l!mites e4tremos de la $resa# Des$la,amiento s internos# .l asentamiento interno de una $resa o de su cimentación se $uede medir con una ran variedad de instrumentos5 incluyendo $lacas de asentamiento5 e4tensómetros de sonda manética o de ti$o inductancia5 dis$ositivos de nivelación de flu6o5 sensores neum/ticos de asentamiento5 sensores de asentamiento $or cuerda vibrante y varios otros dis$ositivos de sondeos mec/nicos y eléctricos# @os des$la,amientos internos %ori,ontales y verticales son com=nmente medidos $or medio de inclinómetros y e4tensómetros# @os des$la,amientos internos de las estructuras de concreto se miden com=nmente con $lomadas5 inclinómetros verticales $ort/tiles5 inclinómetros fi6os y e4tensómetros# Des$la,amiento en 6untas y rietas .l movimiento de las rietas o 6untas en una estructura de concreto se mide com=nmente con $untos de referencia o con medidores de rietas# Parc%es o lec%ada de yeso se $ueden usar $ara evaluar si se est/ o no $roduciendo el movimiento# @os $untos de referencia $ueden ser marcados en el concreto5 $ernos met/licos5 o $lacas de metal ubicados en los lados o$uestos de una 6unta o rieta# @a distancia entre las marcas se mide con un micrómetro o con un medidor de distancia $ara determinar el movimiento# A veces se utili,an tres $untos en un tri/nulo $ara medir tanto el movimiento %ori,ontal y vertical# *.2.2

Es-uer,os y de-ormación

Presiones del material dentro de la $resa se miden com=nmente con celdas de $resión de tierra5 estas también se conocen como celdas de $resión total# Se com$onen de dos diaframas fle4ibles sellados alrededor de la $eriferia5 con un fluido en el es$acio anular entre los diaframas5 la $resión se determina midiendo el aumento de la $resión del fluido detr/s del diaframa con sensores neum/ticos o de cuerda vibrante# *.2.3

E-ectos sísmicos

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@a instrumentación $ara el reistro de aceleraciones de los movimientos s!smicos $ro$orciona los datos necesarios $ara llevar acabo la evaluación de la res$uesta din/mica de las $resas# @a aceleración s!smica y la velocidad se suelen reistrar con acelerórafos# .stos dis$ositivos suelen estar constituidos $or tres acelerómetros mutuamente $er$endiculares5 un sistema de reistro5 y el mecanismo de dis$aro5 $ara evitar la acumulación de datos no deseados5 los instrumentos son condicionados $ara 7ue se activen a $artir de sismos cercanos con $e7ue(a manitud o bien a $artir de sismos m/s randes $ero con un orien m/s ale6ado# .stos dis$ositivos son caros5 sobre todo teniendo en cuenta 7ue varios instrumentos son necesarios $ara reistrar la res$uesta din/mica en varios luares de una estructura# @a locali,ación de los acelerómetros se considera de acuerdo a las necesidades $revistas# Por e6em$lo5 el $rimer acelerómetro debe ser locali,ado en el em$alme de la cimentación con el terreno5 ya 7ue se es$era 7ue cual7uier movimiento no uniforme 7ue sea a lo laro de la interfa, del em$alme de la cimentación con el terreno sea debido a los as$ectos to$or/ficos y de disi$ación de ener!a5 se reistre la actividad# .l seundo instrumento llamado a cam$o libre5 deber!a ser locali,ado a una distancia cercana $ara no ser influenciado $or las vibraciones causadas $or la $resa y $ara obtener datos re$resentativos del sitio# >na distancia t!$ica es definida $or dos veces la altura de la $resa de concreto y la mitad de este si el módulo de elasticidad de la cimentación es iual o mayor 7ue el módulo de la $resa de concreto BDarbre5 "--05 y 7ue $ermita la correlación entre los otros acelerómetros en el arrelo# .l tercero debe ser locali,ado a la distancia media de la cresta5 donde se antici$a la defle4ión m/4ima# *.2.4

Filtraciones y -ugas

@a filtración se define como el movimiento intersticial del aua a través del cuer$o o5 la cimentación de una $resa5 a diferencia de la fua5 7ue es el flu6o de aua a través de au6eros o rietas# Filtraciones y fuas se miden com=nmente con vertederos5 canales Pars%all y reci$ientes calibrados# 9tros ti$os de dis$ositivos de medición de flu6o5 tales como medidores de movimiento $ueden ser a$ro$iados en circunstancias es$ecia les# @a diferencia en los niveles de aua entre los lados auas arriba y auas aba6o de una $resa $rovoca filtraciones y fuas# @os $rinci$ales factores 7ue influyen en la cantidad de filtraciones y las fuas son los mismos 7ue los 7ue influyen en la distribución de $resión discutido en la sección anterior# @a cantidad de filtraciones o fuas es directamente $ro$orcional a la $ermeabilidad y a la $resión# Por lo 7ue es $osible tener $or e6em$lo un ran flu6o con alta $resión o ran flu6o con ba6a $resión5 de la misma manera se $odr!a $resentar un $e7ue(o flu6o con alta $resión o $e7ue(o flu6o con ba6a $resión# *.2.

/emeratura

@as mediciones de tem$eratura de una $resa5 o en su instrumentación5 a menudo se re7uieren $ara disminuir los datos de los instrumentos5 aumentar la $recisión5 o $ara inter$retar los resultados5 $or e6em$lo5 los des$la,amientos de las $resas y los 111


cambios en las fuas son com=nmente relacionados con los cambios de tem$eratura# @a tem$eratura también se mide com=nmente en las $resas durante la construcción $ara evaluar el dise(o de la me,cla5 las tasas de colocación y tama(os de blo7ue y de elevaciónE al momento de $oner las 6untas entre blo7uesE y $ara evaluar las caras térmicas# @as tem$eraturas $ueden ser medidas con termómetros de resistencia o termo$ares5 las mediciones de tem$eratura de las filtraciones y fuas $ueden indicar la fuente de la filtración# @.;

Diseo de! sistema de instrumentaci%n

.l dise(o del sistema de instrumentación debe seuir un $roceso radual y lóico 7ue comien,a con el establecimiento de los ob6etivos y termina con la acción $redeterminada basada en los datos obtenidos# Condiciones de $royecto .l $aso inicial en cual7uier dise(o del sistema de instrumentación debe establecer las condiciones del sitio# .n $resas e4istentes5 toda la información dis$onible sobre el dise(o5 construcción y rendimiento de la $resa deber/ ser e4aminada# .n $resas $ro$uestas5 niveles del aua subterr/nea5 la estratiraf!a5 el dise(o de la $resa y los métodos de construcción deber!an ser e4aminados# Se identificaran las /reas de debilidad $otencial y sus efectos $otenciales en la estabilidad de la $resa# A menudo al=n ti$o de instrumentación5 como el $ie,ómetro5 ser/ usado $ara ayudar a identificar las condiciones del sitio# Pro$ósito de la instrumentación .l siuiente $aso es definir el ob6etivo de la instrumentación e4istente y $ro$uesta# .l dise(ador deber/ entender 7ue datos ser/n enerados $or la instrumentación y cómo esos datos ser/n utili,ados# Hay una variedad de $ro$ósitos v/lidos $ara el uso de instrumentos $ara monitorear $resas# @a instrumentación m!nima $ro$orciona las medidas b/sicas de inenier!a necesarias $ara evaluar adecuadamente la estabilidad de la $resa y viilar los $ar/metros 7ue indi7uen el $osible desarrollo $roblemas# Instrumentos adicionales $odr!an ser necesarios $ara confirmar la %i$ótesis del $royecto5 evaluado el desem$e(o mediante la com$aración de medidas reales con las es$eradas durante< la construcción5 el $rimer llenado5 un descenso r/$ido y el funcionamiento a laro $la,o5 se $ueden instalar instrumentos $ara a$oyar las o$eraciones5 evaluar las condiciones es$ec!ficas en un sitio5 o $ara obtener datos $ara el dise(o o evaluación de las re$araciones correctivas# Presas con cimentaciones com$le6as5 situadas en luares con anomal!as eolóicas o 7ue son $royectadas con dise(os =nicos5 criterios de dise(o marinal o un enfo7ue conservador re7uiere $or lo eneralmente de m/s instrumentación $ara demostrar 7ue tendr/n un rendimiento satisfactorio#

113


Pro$ósito de la instrumentación m!nima Aun7ue solo un $e7ue(o $orcenta6e de las $resas desarrollan $roblemas5 es im$osible $redecir los $roblemas 7ue se desollar/n debido a la naturale,a altamente indeterminada de las estructuras y el n=mero infinito de $osibles variaciones en condiciones 7ue $udieran afectar la seuridad de la $resa o de las estructuras ane4as5 $or lo tanto5 es $rudente 7ue cual7uier $resa 7ue $ueda afectar a la seuridad de la $oblación tena una instrumentación b/sica $ara monitorear sus sinos vitales# @a instrumentación m!nima recomendada se limita a lo 7ue claramente $ro$orciona información =til $ara la evaluación de la seuridad en $resas y 7ue también sea f/cil de instalar y controlar5 en estas directrices la instrumentación m!nima var!a desde la observación visual en $resas de ba6o $otencial de rieso5 a instrumentos $ara la medición de $resiones de $oro5 $resiones de levantamiento5 movimiento en la su$erficie5 movimiento interno5 deformaciones en cimentaciones5 etc#5 $ara randes estructuras con $otenciales altos de rieso5 la instrumentación m!nima debe estar ubicada en donde se $ro$orcionan datos 7ue sean re$resentativos de toda la estructura# @a Tabla 8#" muestra la instrumentación utili,ada $ara evaluar situaciones comunes# Tabla 8#" Instrumentación t!$ica y monitoreo utili,ado en la evaluación de causas comunes 2ro*!emaM(ectaci%n Instrumento tí&ico 9bservación visual5 vertedero5 medidores de flu6o5 Filtraciones o fuas aforadores5 contenedores5 $o,o de observación y $ie,ómetros For=nculos o tuber!as 9bservación visual5 vertedero y $ie,ómetros +edida de sub$resión5 $resión 9bservación visual5 observación de vertederos y de $oro o su$erficie fre/tica $ie,ómetros Función de drenado o 9bservación visual5 mediciones de $resión y flu6o5 adecuación $ie,ómetros .rosión5 socavación5 o 9bservación visual5 resonancia5 ins$ección submarina5 sedimentación estudio fotoramétrico Disolución de estratos Pruebas de calidad del aua de cimentación +ovimiento total o en 9bservación visual5 $osición $recisa y encuesta de nivel5 la su$erficie mediciones de la $lomada e inclinómetros Btraslación5 rotación Sistema de $lacas5 dis$ositivo de bra,os cru,ados5 Indicador +ovimiento interno o de nivel de aua5 sensores neum/ticos de asentamientos5 deformación en sensor de cuerda vibrante5 dis$ositivos resonancia mec/nica terra$lenes y eléctrica5 inclinómetros5 e4tensómetros y bandas de corte# +ovimiento interno o +edidor de movimiento en Nuntas5 +edidor de movimiento en deformación en rietas5 $lomada5 inclinómetros5 e4tensómetro y cintas estructuras de concreto calibradas#

115


Tabla 8#" Instrumentación t!$ica y monitoreo utili,ado en la evaluación de causas comunes BContinuación 2ro*!emaM(ectaci% n Cimentación o movimiento del em$alme Cimentación en roca de ba6a calidad o em$alme Nunta o movimiento de las rietas .sfuer,os o deformaciones Caras s!smicas Rela6ación de la $os1 tensión de los ancla6es Deterioro del concreto .4$ansión del concreto Deterioro del acero

Instrumento tí&ico 9bservación visual5 estudios $recisos5 inclinómetros5 e4tensómetros5 $ie,ómetros 9bservación visual5 mediciones de $resión y flu6o5 $ie,ómetros5 estudios $recisos5 inclinómetros5 e4tensómetros5 $ie,ómetros +edidor de movimiento en rietas5 $untos de referencia de revestimientos o $arc%es de lec%ada Celdas de $resión Tierra5 medidor de esfuer,os5 medidor de deformación5 acelerórafos Acelerórafos Prueba del ato %idr/ulico5 celdas de cara5 cables de fibra ó$tica5 e4tensómetros 9bservación visual5 $érdida de la sección de estudio5 an/lisis de laboratorio y $etror/ficos 9bservación visual5 $osición $recisa y encuesta de nivel5 mediciones de la $lomada5 inclinómetros5 l!nea de $lomada5 medidor de movimiento en Nuntas5 e4tensómetros5 an/lisis $etror/ficos5 cintas calibradas 9bservación visual5 medidor de es$esor $or ultrasonidos5 cu$ones de $rueba#

>bicación y n=mero de instrumentos @a instrumentación m!nima deber/ ser instalada donde se es$era 7ue el com$ortamiento sea re$resentativo de la $resa en con6unto5 el n=mero de instrumentos deber/ ser suficiente $ara $ro$orcionar un cuadro com$leto del $ar/metro medido5 $or lo eneral5 la instrumentación m!nima deber/ ser instalada a lo laro de $artes lonitudinales o transversales de la $resa# A menudo5 se=n acceso y astos5 $uede ser m/s rentable instalar instrumentos redundantes $ara e4$licar la $osibilidad de funcionamiento defectuoso5 7ue sustituir instrumentos ino$erables m/s tarde5 $or e6em$lo5 los transductores $ara $ie,ómetros de cuerda vibrante son relativamente baratos y a menudo son instalados en $ares $ara $ro$orcionar la continuidad de datos si uno de los transductores lleara a fallar# Si un sensor est/ inaccesible $ara calibración o reem$la,o5 se deber!a considerar el uso de sensores m=lti$les $ara $roveer redundancia# @as medidas redundantes también son =tiles $ara com$robar y evaluar lecturas inusuales5 se $uede $roveer redundancia mediante el uso de l!neas adicionales de instrumentos es$aciados a menor distancia o midiendo una misma caracter!stica con distintos instrumentos# @a instrumentación $ara monitorear un /rea $articular de interés debe colocarse a lo laro de las secciones transversales donde se $uede manifestar un com$ortamiento sos$ec%oso# @os resultados de an/lisis 117


estructurales $ueden indicar locali,aciones a$ro$iadas y el n=mero de instrumentos# Para nuevas $resas5 la necesidad de instalar instrumentación debe establecerse desde la fase de dise(o y antes de la $re$aración de $lanos constructivos definitivos $ara evitar interferencias# Para las estructuras e4istentes5 $lanos constructivos y la $ro$uesta de ubicación de la instrumentación deben revisarse con6untamente5 interferencias $otenciales con barras5 tubos y $uertas deben ser identificadas antes de fi6ar la ubicación de la instrumentación# Instalación @a instalación debe incluir un reistro de las condiciones en las 7ue se reali,ó y en su caso la medición de la calibración5 $ruebas de rendimiento5 y las lecturas iniciales# Se debe considerar la e4$eriencia de la em$resa contratista $ara instalar instrumentos similares en condiciones similares# >n $rorama de arant!a de la calidad se debe incluir en las es$ecificaciones5 las cuales debe ser cuidadosamente escrita y e6ecutada $ara evitar da(os en la $resa y sus accesorios# @a instrumentación es a menudo da(ada $or los e7ui$os de mantenimiento o $or vandalismo $or lo deben ser encerradas en cubiertas ba6o llave o resuardadas de aluna manera5 $or e6em$lo5 la $arte su$erior los $ie,ómetros deber/n instalarse dentro de tubos met/licos con blo7ueo en las cubiertas# @.0

i&os de instrumentos

Generalmente %ay varios instrumentos dis$onibles en el mercado $ara cada ti$o de medida re7uerida5 $ara la selección de la instrumentación5 la consideración $rinci$al debe ser la confiabilidad y no el costo# @a confiabilidad abarca una variedad de factores 7ue incluyen la sim$licidad5 la durabilidad5 la lonevidad5 la $recisión5 la e4actitud5 y una ran cantidad de reistros de rendimiento satisfactorio5 la relativa im$ortancia de cada uno de los factores de$ende del $ro$ósito del instrumento# @os instrumentos adecuados $ara su uso durante la construcción $ueden ser diferentes a los de la o$eración5 $or e6em$lo5 los $ie,ómetros de cuerda vibrante tienen muy $oco tiem$o de retraso $ero una vida =til limitada $or lo 7ue son a$ro$iados $ara el control de las o$eraciones durante la construcción5 mientras 7ue $ara el monitoreo a laro $la,o se re7uiere de un instrumento con mayor vida =til ya 7ue la lonevidad ser/ m/s im$ortante 7ue el tiem$o de retraso# .l ti$o de ad7uisición de datos5 manual o automati,ada5 debe ser considerado al eleir la instrumentación5 sin embaro5 no deben utili,arse sistemas de ad7uisición de datos automati,ados $ara 6ustificar el uso de transductores eléctricos inaccesibles# @os transductores 7ue son accesibles $ara la calibración o reem$la,o se deben utili,ar siem$re 7ue sea $osible5 $or e6em$lo5 el $ie,ómetro vibrante no $uede tener $referencia frente a unos $ie,ómetros de tubo vertical abierto sólo $or7ue los datos se ad7uieren autom/ticamente5 el $ie,ómetro de tubo vertical abierto $uede ser automati,ado con transductores eléctricos accesibles# Para los casos en 7ue las condiciones de acceso $ueda ser dif!cil Be## elevación de $resiones %idr/ulicas durante inundaciones5 debe considerarse usar instrumentos de lectura remota#

119


.l costo total debe considerarse cuando se com$aran sistemas de instrumentación o instrumentos alternativos5 el costo total incluye los instrumentos5 la instalación5 el mantenimiento5 la lonevidad5 el monitoreo y el $rocesamiento de datos# .l instrumento m/s barato no necesariamente $ro$orciona el menor costo de ciclo de vida5 considerando 7ue a veces estos tienen 7ue rem$la,arse durante la vida =til de la obra# @a asinación de fondos suficientes $ara cubrir el costo total de la instrumentación durante la fase de dise(o $uede ayudar a evitar la inadecuada recolección y evaluación de los datos debido a la falta de fondos# @.>

2rograma de monitoreo registro de datos

.n un $rorama de monitoreo se debe es$ecificar $aso a $aso los $rocedimientos de confiuración de e7ui$os5 ad7uisición de datos5 reistro de datos y evaluación de cam$o# .l $ersonal 7ue reali,a las observaciones visuales adem/s de recoer5 reducir y evaluar los datos5 deber/ recibir una formación b/sica sobre la seuridad en $resas# .l entrenamiento debe incluir como m!nimo< conocer las causas comunes de fallas e incidentes5 la identificación de sinos de $eliro $otencial $or la observación visual y acciones a reali,ar cuando e4istan condiciones inusuales5 se(ales de $eliro $otencial o se $resente una emerencia# Para la recolección manual de datos se recomienda el uso de formatos est/ndar $ara reali,ar el reistro de los mismos5 estos formatos deben contener el nombre del $royecto5 el ti$o de instrumento5 la ubicación del instrumento5 asimismo deber/n tener es$acios asinados $ara reistrar5 la fec%a5 la %ora5 el o$erador5 los datos y los comentarios# Como consideración se deber!a incluir un es$acio asinado $ara reistrar datos com$lementarios como< niveles de aua5 clima5 tem$eratura y cual7uier condición inusual# @os l!mites y criterios utili,ados deben documentarse en el $rorama de monitoreo5 estos deben establecerse basados en las circunstancias es$ec!ficas5 en alunos casos5 $uede estar basados en estudios teóricos o anal!ticos B$or e6em$lo5 reistros de sub1 $resión $ara los cuales las directrices de estabilidad ya no son cum$lidas# .n otros casos5 los l!mites y criterios deben ser desarrollados en base al com$ortamiento medido B$or e6em$lo5 las fuas y filtraciones5 a veces se $uede utili,ar $ara identificar lecturas inusuales5 lecturas fuera de los l!mites de los instrumentos o lecturas 7ue a 6uicio del ineniero res$onsable5 e4ien una evaluación# Deben establecerse la manitud y la tasa de cambio de l!mites ya 7ue $ro$orcionan controles y e7uilibrios en un $rorama de monitoreo# @a $resencia de lecturas 7ue su$eren los l!mites no sinifica necesariamente 7ue %aya 7ue tomar medidas dr/sticas5 si no 7ue se deben tomarse alunas medidas5 el $rorama de monitoreo debe de incluir medidas 7ue deber/n ado$tarse si un instrumento alcan,a su l!mite umbral5 sin embaro acciones $redeterminadas no $ueden sustituir res$uestas a situaciones es$ec!ficas y deben sólo ser utili,adas como una u!a# @as acciones a reali,ar cuando se e4cede un umbral de$enden de las circunstancias $articulares5 $ero $ueden incluir una combinación de las siuientes# 121

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE B..% DISEÑO DE $RESAS DE !ARDFILL − − − − − − − −

;otificar al ineniero res$onsable# Confirmar la lectura retom/ndola y donde sea $osible5 confirmar la calibración del instrumento $or el uso de lecturas redundantes# Ins$ección de la $resa# .valuar la situación y revisar el umbral# Aumentar la frecuencia de las lecturas $ara su$ervisar y $ro$orcionar datos $ara evaluar me6or la situación# Im$lementar medidas de investiación tales como la instalación de instrumentos adicionales# Im$lementar medidas correctivas tales como la lim$ie,a de los drenes de la cimentación5 la re$aración de da(os o la modificación de la $resa# Im$lementar las medidas de emerencia tales como la reducción del de$ósito#

.l $rorama de monitoreo debe incluir los re7uisitos $ara establecer las mediciones iniciales o de referencia5 como la mayor!a de los datos son com$arados contra estas mediciones5 es muy im$ortante 7ue éstas sean correctas5 un m!nimo de tres o m/s medidas deber/n ser tomadas# @as lecturas deben cum$lir con los valores y la e4actitud 7ue se es$era5 si no lo %acen5 el e7ui$o deber/ ser revisado y lecturas adicionales deber/n tomarse %asta 7ue las lecturas cum$lan con los valores y la e4actitud 7ue se es$era5 o 7ue los valores medidos se $uedan 6ustificar# Alunos instrumentos tales como $ie,ómetros de cuerda vibrante y alunos ti$os de medidores de deformación necesitan una cantidad sinificativa de tiem$o $ara estabili,arse una ve, 7ue %an sido instalados5 esto se debe a efectos de la $erforación5 tiem$o de retraso o de la tem$eratura5 $ara estos instrumentos5 deben tomarse lecturas diarias o incluso m/s frecuentes %asta 7ue éstas se %allan estabili,ado# .n la Tabla 8#& se consideran los tiem$os de monitoreo y la frecuencia con la 7ue se deben reali,ar las mediciones $ara tener una base de datos confiable 7ue nos ayude a mantener y me6orar la seuridad de las $resas#

123


Tabla 8#& Horario t!$ico de monitoreo de $resas $otenciales sinificativas y de alto rieso i&o Frecuencia de !as mediciones &Q y 'Q @aro $la,o de medici%n Construcció "Q llenado "Q a(o n des$ués del a(o llenado 9bservación Diario Diario Semanal +ensual +ensual visual ;ivel del 1 Diario uincenal +ensual +ensual a embalse trimestral ;ivel de aua 1 Semanal uincenal +ensual +ensual a trimestral Flu6o de dren 1 Diario Semanal a +ensual +ensual a mensual trimestral Filtraciones +ensual Diario Semanal a +ensual +ensual a $erdida de mensual trimestral caudal Presión de Diario Diario +ensual +ensual +ensual a $oro sub1 trimestral $resión Asentamiento 1 +ensual Cada ' Semestral Semestral a su$erficial meses o anual anual Alineación 1 +ensual Cada ' Semestral Semestral a su$erficial meses o anual anual +ovimiento 1 Semanal +ensual o +ensual a Por mes o interno a mensual Trimestral semestral $or a(o +ovimiento en 1 Semanal +ensual o +ensual a +ensual a 6untas rietas a mensual Trimestral semestral anual +ovimiento en Semanal Semanal Trimestral Semestral Semestral o la cimentación a o anual anual mensual Tem$eratura Cada %ora Semanal uincenal +ensual ;o $or semana re7uerido Cara en ;o ;o Anual ;o Cada 0 anclas $ost1 re7uerido re7uerido re7uerido a(os tensadas @as lecturas deben tomarse des$ués de randes eventos tales como terremotos e inundaciones# @ecturas m/s frecuentes deben tomarse se=n sea necesario $ara abordar las $reocu$aciones es$ec!ficas#

125


?. CO,RO$ DE C($ID(D .s esencial contar con un $rorama de control de calidad 7ue se ocu$e de las actividades5 $rocedimientos y res$onsabilidades $ara el $royecto es$ec!fico# .l $rorama de control de calidad es t!$icamente res$onsabilidad del contratista y del ineniero res$onsable# .l alcance del $rorama de ins$ección y $ruebas de$ender/ de la naturale,a del $royecto# Puede ser tan sim$le como las observaciones visuales o tan elaboradas como la construcción de una sección de $rueba y tener un laboratorio de $ruebas en el luar# @a ins$ección y $ruebas en la $re1construcción suelen incluir muestreo y an/lisis de la calidad de la materia $rima5 verificar 7ue el ti$o y tama(o de la $lanta de me,clado5 trans$orte5 colocación y e7ui$o de com$actación sea el adecuado y cum$la con los re7uerimientos m!nimos del $royecto5 adem/s de la revisión y calibración del e7ui$o de $roducción y ensayo $ara aseurar su correcto funcionamiento# @a construcción de una sección de $rueba es también $arte del $rorama de control de calidad de $re1 construcción# @a sección de $rueba ofrece $ara la evaluación del dise(o de la me,cla y $ermite al contratista desarrollar y demostrar las técnicas $ro$uestas $ara la me,cla5 trans$orte5 colocación5 com$actación5 durante las o$eraciones de $roducción# @a sección de $rueba debe ser construida con la suficiente antelación en el contrato $ara dar tiem$o contratista $ara a6ustar el tama(o de su dosificación5 me,cla5 o un sistema de trans$orteE $ara modificar la colocación5 difusión5 y la técnica de com$actaciónE y $ara cambiar cual7uier otra o$eración 7ue se considere esencial $ara el é4ito del traba6o# Durante la construcción se es$ecifican normalmente una serie de control de calidad# .ntre ellos se encuentran las calibraciones de $lantas reulares5 $ruebas de radación5 $ruebas de %umedad5 $ruebas de consistencia y densidad5 y la fabricación y $ruebas de vias y cilindros# @a ins$ección visual $ara detectar sinos de la sereación durante la colocación5 rietas su$erficiales o cambios de consistencia $ueden ser indicadores de deficiencias de construcción 7ue necesitan ser correidos# 9tro elemento im$ortante de la ins$ección es $ara controlar el tiem$o dentro de las diversas eta$as de la construcción# Para mayor e4$licación del control de calidad ver ca$!tulos #2#" y #2#&#

127


6A. (84D() DE DI)E1O 6A.6

Ejem&!o de! Diseo &re!iminar de una &resa de hardi!!

9b6etivos< Reali,ar el dise(o $reliminar de una $resa de %ardfill considerando la eometr!a mostrada en la Fi# "3#"5 evaluando la estabilidad ante desli,amiento5 ca$acidad de cara del terreno de cimentación5 y las $resiones transmitidas al terreno considerando las $ro$iedades de dise(o 7ue se muestran en la Tabla "3#"# Tabla "3#"# Pro$iedades de dise(o de la $resa de %ardfill Geometría de !a &resa Altura5 H Corona5 a ;A+9 ;A+. 2ro&iedades de! hardi!! Co%esión5 c% nulo de fricción5 φ% Peso volumétrico5 γ % erreno de cimentaci%n Co%esión5 cr nulo de fricción5 φ Peso volumétrico5 γ

a!or '3 m "3 m &0 m &8 m a!or 3#8 +Pa )0Q && K;m' a!or 3#00 +Pa &)Q &' ;m'

@as aceleraciones es$ectrales de dise(o $ara condiciones de cara anali,ando el S9 y S+C se obtienen como &' del coeficiente s!smico corres$ondiente5 meseta del es$ectro de dise(o corres$ondiente#

c s 5 medido de la

129


Fi# "3#"# .s$ectros de dise(o $ara S9 y S+C# @as $ro$iedades mec/nicas de resistencia y deformabilidad del %ardfill se obtienen a $artir de investiaciones de cam$o y $ruebas de laboratorio5 como se describe en el ca$!tulo Pro$iedades de dise(o del %ardfill#

7E

a

F

F

1

1

( C(7E

+

7



Fi# "3#"# Geometr!a de la $resa Solución< .n el dise(o $reliminar se consideran las seis eta$as de an/lisis mostradas en la Tabla "3#&# .n cada una de estas eta$as se eval=a la estabilidad lobal e interna de la $resa de %ardfill# .n la revisión de la estabilidad lobal se reali,a la evaluación de los factores de seuridad contra desli,amiento# .n la revisión de la estabilidad interna se eval=an los esfuer,os actuantes y se com$aran con la resistencia del %ardfill#

131


Tabla "3#& .ta$as de an/lisis $ara dise(o

" &

Eta&a de an#!isis Fin de construcción Fin de construcción  sismo BS9

Cargas

Condiciones de carga

F) des!izamiento

•

Peso $ro$io de la estructura

Inusual

"#0 B"#&

•

Peso $ro$io de la estructura Sismo BS9

.4trema

"#& B"#3

>sual

'#3 B&

.4trema

"#& B"#3

Inusual

"#0 B"#&

.4trema

"#& B"#3

•

Peso $ro$io de la estructura Condición de • Presión %idrost/tica servicio B;A+9 • .m$u6e de Blaro $la,o Sedimentos • Sub$resión • Peso $ro$io de la estructura Condición de • Presión %idrost/tica m/4ima B;A+. • .m$u6e de o$eración Sedimentos • Sub$resión • Peso $ro$io de la estructura • Presión %idrost/tica B;A+9 Condición de Presión %idrodin/mica servicio  B;A+9 sismo S9 • Sismo BS9 • .m$u6e de Sedimentos • Sub$resión • Peso $ro$io de la estructura • Presión %idrost/tica B;A+9 Condición de Presión %idrodin/mica servicio  B;A+9 sismo S+C • Sismo BS+C • .m$u6e de Sedimentos • Sub$resión •

'

)

0

2

 Estos menores +actores de seguridad se permitirán si se llea a cabo un análisis num!rico de la estabilidad de la presa/ en condiciones estáticas y sísmicas. En particular en condiciones sísmicas/ deberán de ser análisis en el dominio del tiempo. == nariablemente se deberá cumplir 9ue la resultante de las cargas actuando en la presa caigan entro del tercio medio/ y se deberá reisar 9ue la presiones transmitidas a la cimentación sean menores a los es+uer*os permisibles.

133


Inicialmente se considera una sección simétrica con taludes de 3#)<"#3# Por tanto el /nulo de las caras de la $resa res$ecto a la %ori,ontal5 β5 es 28 Q y la lonitud de la base de la $resa5 b5 es iual a ') m como se muestra en la Fi# "3#&#

10 $

0.4

0.4

1

1

25 $

32.31 $

30 $

P'esa de a'd)ill

68G

e''eno de ci$entacin

34 $

Fi# "3#& Geometr!a de la $resa de %ardfill BKO3#)

Eta&a de an#!isis 6. Fina! de !a construcci%n @a =nica cara considerada en la eta$a de an/lisis " es el $eso $ro$io de la $resa de %ardfill5 como se muestra en la Fi# "3#'# Debido a 7ue no e4isten caras %ori,ontales actuando sobre el cuer$o de la $resa# Sin embaro5 es necesario evaluar los esfuer,os transmitidos al terreno de cimentación#

Pt

P'esa de a'd)ill 7

+

e''eno de ci$entacin

@2 

Fi# "3#' Condiciones de cara B.ta$a "

135


@os esfuer,os en la base de la $resa se obtienen em$leando la e4$resión )#'#"5 la cual se $resenta a continuación# σ A , B =

∑ N 3 M +

A , B

A

&

.n esta eta$a de an/lisis la =nica fuer,a involucrada es la del $eso $ro$io de la estructura $or tanto el momento M es iual a cero# Se determina el /rea5 Ac5 de la sección transversal de la $resa< A c =

+ a 2

∗ H =

34

+10 2

∗30=660 5

2

.l $eso de la $resa5 Pt se determina con la siuiente ecuación< t = A c∗t ∗ γ h

Considerando un anc%o unitario t5 se obtiene< t =( 660 )∗( 1.0 )∗( 24 ) =15840 (N

@os esfuer,os transmitidos al terreno de cimentación se obtienen con la siuiente e4$resión< σ A ,B =

 t A 

donde< Ab es el /rea de la base definida como< A  =∗t Considerando un anc%o unitario tO"m5 el /rea de la base resulta< A  =34 5

2

@os esfuer,os transmitidos al terreno de cimentación resultan< σ A ,B =

 t A 

=

15840 34

= 465.8 'a

@os esfuer,os transmitidos al terreno de cimentación son de com$resión5 $or tanto $ara evaluarlos se com$aran con la ca$acidad de cara del terreno5 la cual se calcula de la siuiente manera< Para este caso $articular se desarrolla la teor!a de ca$acidad de cara en roca desarrollada $or Ter,a%i# @a ca$acidad de cara =ltima est/ dada $or la siuiente e4$resión< *ult =c N c s c +

B 2

γ N γ s γ + γ$ N *

.n donde< 137

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE B..% DISEÑO DE $RESAS DE !ARDFILL N c =5 tan N *= tan

6

4

(

(

45 7

45 7

+

+

8

8

)

2

2

)

N γ = N * + 1 $ es la $rofundidad de des$lante

s c + sγ son factores de forma B Anc%o de la base

@a co%esión re$ortada $or el estudio eolóico es de 3#003 +Pa5 con un /nulo de fricción de &)Q5 las cuales son caracter!sticas de una roca muy $obre se=n valores re$ortados en la literatura# Consideraremos un $eso volumétrico de 3#33&& +;m ' 4

(

N c =5 tan 45 7 + N *= tan

6

(

45 7

+

8 2

)

(

)

24 7 8 =5tan 4 45 7 + =28.11 2 2

) ( = tan

6

45 7

+

24 7 2

)=

13.33

N γ = N * + 1 =14.33

*ult =c N c +

B 2

γ N γ + γ$ N *=0.55 ( 28.11 )+

34 2

( 0.0022 ) ( 14.33 )+ 0=16 Ma

Por lo tanto5 la ca$acidad de cara =ltima es de "2 +Pa#

139


Eta&a de an#!isis 7. Fina! de !a construcci%n m#s sismo )BO @a eta$a & de an/lisis considera el final de la construcción y el sismo base de o$eración5 S9# .n la Fi# "3#2 se muestran las caras involucradas en el an/lisis#

Pt

9S7P'esa de 0a'd)ill

y9

S7-

+

7


@2 

Fi# "3#2 Condiciones de cara Beta$a & Evaluación de la estabilidad contra desli,amiento0

Para calcular el factor de seuridad contra desli,amiento se usa la ec )#"#"

FSs =

c A  + 1N 2 tan ϕ 1H

donde c

es la co%esión del material %ardfill

1N

es la suma de fuer,as verticales

ϕ

es el /nulo de fricción interna del %ardfill

1H

es la suma de fuer,as %ori,ontales

1N = t =15840 (N 141


1H = F SBO =3168 (N

a Considerando la co%esión del %ardfill

FSs =

c h A  + 1N ∗ tan ϕ 1H

=

+

800 2 34 2 1 15840 2 tan 45 3168

=13.59

b Considerando la co%esión del terreno de cimentación

FSs =

c A  + 1N ∗ tan ϕ r 1H

=

+

550 2 34 2 1 15840 2 tan 24 3168

=8.1

evisión de es-uer,os en la base de la resa

σ A ,B =

∑ N 3 M 2 +

A

A

&

.l momento de inercia es< & =



3

12

3

=

34

12

=3275.33 5

4

.l /rea de la sección es< A  = 2t =34 2 1.0 =34 5

2

 + A = =17 5= + B 2

.l momento es< M =− F SBO 2 + SBO =−38871.36 (N5

@os esfuer,os son< σ A =

σ B=

15840 34

15840 34

+

−

−38871.36 2 17 3275.33

−38871.36 2 17 3275.33

=264 'a

=667 'a

.l diarama de $resiones en la base se muestra en la Fi# "3#8 143


4 6 2

7 6 6

[KPa\ Fi# "3#8 Diarama de $resiones en la base B.ta$a & @os esfuer,os transmitidos al terreno de cimentación son de com$resión5 $or lo tanto5 $ara evaluarlos se com$aran con la ca$acidad de cara del terreno5 la cual es de "2 +Pa * c > σ B =667 'a> σ A= 264 'a> 0

;o se $resentan esfuer,os de tensión y la ca$acidad de cara del terreno de cimentación es mayor 7ue los esfuer,os transmitidos $or la $resa de %ardfill# Por tanto se concluye 7ue dic%os esfuer,os no $onen en rieso la estabilidad de la $resa# bicación de la resultante0

Se verifica 7ue no e4istan esfuer,os de tensión obteniendo la ubicación de la resultante en la base de la $resa5 si esta cae dentro del tercio medio de la base solo se eneran esfuer,os de com$resión# @a e4centricidad de la resultante se obtiene con la siuiente e4$resión< e=

∑ M ∑ N

donde e

es la e4centricidad de la resultante medida en la base de la $resa

∑ M

es la suma de momentos res$ecto al centroide del cuer$o de la $resa

|

e=

−38871.36 15840

|=

2.4 5

@a fuer,a resultante cae a &#) m del centroide del cuer$o de la $resa5 lo cual se encuentra dentro del re7uerimiento m!nimo de 0#2*m a cada lado del centro de la base# 145


147


Eta&a de an#!isis ;. Condici%n de servicio !argo &!azo &nálisis de estabilidad para la condición 1." (in drenes en el cuerpo de la presa

.n la Fi# "3#- se muestran las caras involucradas en la eta$a ' de an/lisis5 la cual involucra la $resión %idrost/tica actuando en la cara auas arriba y la fuer,a de sub$resión en la base# @a Fi# "3#"3 muestra el diarama de cuer$o libre de las fuer,as involucradas en esta eta$a de an/lisis#

Pt

P0e 9a%

P'esa de0a'd)ill

Su&'esi3n

Fi# "3#- Condiciones de cara Beta$a '

Pt

P0e4

P'esa de 0a'd)ill

9a%4 P0e0

:&0 0a%

y&0

9a%0

:a%

+

ya%

7

u

@2 :u

Fi# "3#"3 Diarama de cuer$o libre Beta$a ' De acuerdo a los datos5 el bordo libre5 @5 es< B!= 5 5 149


.l nivel del embalse5 %5 es< h = H − B!=30−5 =25 5

@a lonitud de la cara de concreto en contacto con el aua5 l 5 es< l=

25 h = = 26.9 5 se9 ( β ) se9 ( 68.2 )

.l em$u6e %idrost/tico5 . $%e5 es< E phe =γ a 2

h∗l 2

∗t =

∗

250 26.9 2

∗1.0=3362.5 (N

donde γ a

es el $eso volumétrico del aua5 "3 K;m'

@a com$onente vertical5 Ev 5 y %ori,ontal5 Eh 5 del em$u6e %idrost/tico res$ectivamente son< 2

γ a 2 h 10 2 252 Eh= = = 3125 (N / 5 2 2 2

Ev =

γ a 2 h 2 ( 2

= ( 2 Eh =0.4 2 3125=1250 (N / 5

@a fuer,a de sub$resión es< . =( h + h2 ) 2

 2

2t 2γ a =25 2

34 2

2 1.0 2 10 =4250 (N

Estabilidad contra desli,amiento0

@a suma de fuer,as %ori,ontales es< 1H = E h=3125 (N

@a suma de fuer,as verticales es< 1N = t + E v −. =15840 + 1250 −4250 =12840 (N 151


a Considerando la co%esión del %ardfill FSs =

c A  + 1N ∗ tan ϕ 1H

=

800 2 34 2 1

+ 12840 2 tan 45 3125

=12.8

b Considerando la co%esión de la cimentación FSs =

c r A + 1N ∗ tan ϕ r 1H

=

+

550 2 34 2 1 12840 2 tan 24 3125

=7.8


σ A ,B =

∑ N 3 M ∗ +

A

A

&

.l momento con res$ecto al centro de la base es<

( )( (

M =− E h 2

(

h

3

M =− 3125 2

+ Ev

 2

−( 2

) ( (

25 3

+

1250

h 3

)) ( (

− . 2 xu −

))

34 25 −0.4 2 2 3

 2

))

−4250

(

22.6−

)

34 2

M =−32758 (N 25


σ B=

12840 34

+

−32758 2 17 3275.33

=208 'a

12840 −32758 2 17 − =548 'a 34 3275.33

.l diarama de $resiones en la base se muestra en la fiura "3#"&

1 1 2

[KPa\ 6 4 5

153


Fi# "3#"& Diarama $resiones en la base Beta$a ' @os esfuer,os transmitidos al terreno de cimentación son de com$resión5 com$res ión5 $or lo tanto5 $ara evaluarlos se com$aran con la ca$acidad de cara del terreno5 la cual es de "8 +Pa * c > σ B =548 'a > σ A =208 'a> 0


De iual manera se verifica 7ue no e4istan esfuer,os de tensión obteniendo la ubicación de la resultante en la base bas e de la $resa5 si esta es ta cae dentro del tercio medio de la base solo se eneran esfuer,os de com$resión# @a e4centricidad de la resultante se obtiene con la siuiente e4$resión<

e=

∑ M ∑ N

|

e=

|

−32758 = 12840

2.5 5

@a fuer,a resultante cae a � & #0 m del centroide del cuer$o de la $resa5 lo cual se encuentra dentro del re7uerimiento m!nimo de 0#2*m a cada lado del centro de la base#

155


&nálisis de estabilidad para para la condición 2." Considerando Considerando drenes drenes en el cuerpo de la presa

@a distribución de la sub1$resión considerando la colocación de drenes a una distancia de "3m a $artir de la cara auas arriba5 se muestra en la Fi# "3#"'# .l diarama de cuer$o libre corres$ondiente se muestra en la Fi# "3#")#

Pt

P0e

0

P'esade 0a'd)ill 9a%

+

6ale'ia

:

7 2

γ 03 γ 0

Su2&'esin

:

Fi# "3#"' Condiciones de cara Beta$a ' con drenes Pt

Pe



9a%

P'esa de a'd)ill

Pe

:& a%

y&

9a% ale'ia

:)a%



y)a%

+  @2

ud :

:ud

Fi# "3#") Diarama de cuer$o cuer$o libre Beta$a ' con drenes Se considera la construcción de una aler!a filtrante a una distancia de "3 m a $artir la cara de concreto auas arriba y una eficiencia de drena6e del 03M#

157


@a altura H' B>SAC.5 "--05 resulta< h3= : ( h −h4 )

( ( − ) )+  x 

h4

donde : =1− E

es la eficiencia del drena6e Ben decimal

E

: =1− 0.5=0.5

h3= 0.5 ( 25 −0 )

(

( 34 −10 ) 34

)+ = 0

8.82 5

.l /rea del diarama5 7ue re$resenta la fuer,a de sub1$resión considerando la colocación de drenes5 u d5 resulta< ud =2750 (N

@a distancia x u 5 es< x u=24.4


@a suma de fuer,as %ori,ontales es< 1H = E h=3125 (N

@a suma de fuer,as verticales es< 1N = t + E v −. =15840 + 1250 −2750 =14340 (N

a Cons Consid ider eran ando do la co% co%esi esión ón del del %ard %ardfi fillll FSs =

c A  + 1N 2 tan ϕ 1H

=

+

800 2 34 2 1 14340 2 tan tan 45 3125

=13.3 159


b Considerando la co%esión de la roca de cimentación FSs =

c r A + 1N 2 tan ϕ r 1H

=

+

550 2 34 2 1 14340 2 tan 24 3125

=8.0


σ A ,B =

∑ N 3 M 2 +

A

A

&

@a suma de momentos es<

( )+( ( − ))−( ( − ))=¿ =−( )+( ( − ))− (

M =− E h 2

M

h

Ev

3

3125 2

25 3



2

(2

1250

h

3

34 2

. 2 xud

0.4 2

25 3



2

2750 24.4

−

34 2

)

M =−29308.33 (N 25


σ B=

14340 34

14340 34

+

−29308.33 2 17

−

3125

−29308.33 2 17 3125

=262 (a

=581 (,a

@os esfuer,os transmitidos al terreno de cimentación son de com$resión5 $or lo tanto5 $ara evaluarlos se com$aran con la ca$acidad de cara del terreno5 la cual es de "2 +Pa ;o se $resentan esfuer,os de tensión y la ca$acidad de cara del terreno de cimentación es mayor 7ue los esfuer,os transmitidos $or la $resa de %ardfill# Por tanto se concluye 7ue dic%os esfuer,os no $onen en rieso la estabilidad de la $resa#

161


3 7 2

2 7 5

[KPa\

Fi# "3#"0 Diarama $resiones en la base Beta$a ' con drenes#

163


Eta&a de an#!isis 0. Condici%n de m#ima o&eraci%n @a revisión de la estabilidad de la $resa de %ardfill en esta eta$a de an/lisis es similar a la efectuada en la eta$a de an/lisis '5 con la variante de considerar el nivel de auas m/4imo e4traordinario5 ;A+.5 el cual es &8 m# @os factores de seuridad ante des$la,amiento5 y las $resiones transmitidas al terreno de cimentación se muestran a continuación# Estabilidad contra desli,amiento

a Considerando la co%esión del %ardfill FSs =

c A  + 1N ∗ tan ϕ 1H

=

800 2 34 2 1

+ 12190.5 2 tan 45 3961.4

=9.9

a Considerando la co%esión de la cimentación FSs =

c r A + 1N ∗ tan ϕ r 1H

=

+

350 2 34 2 1 12190.5 2 tan31 3961.4

= 4.8

evisión de es-uer,os en la base de la resa0

σ A =

σ B=

12190.5 34

+

−39634.4 2 17 3275.33

=152 (a

12190.5 −39634.4 2 17 − =564 (a 34 3275.33

.l diarama de $resiones en la base se muestra en la fiura"3#"#"0

2 5 1

4 6 5

[KPa\

2 5 1

4 6 5

Fi# "3#"2 Diarama $resiones en la base Beta$a ) @os esfuer,os transmitidos al terreno de cimentación son de com$resión5 $or lo tanto5 $ara evaluarlos se com$aran con la ca$acidad de cara del terreno5 la cual es de "2 +Pa

165

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE B..% DISEÑO DE $RESAS DE !ARDFILL * c > σ B =564 'a> σ A =152 'a> 0


|−

e=

39634.4

12190.5

|=

3.2 5

@a fuer,a resultante cae a '#& m del centroide del cuer$o de la $resa5 lo cual se encuentra dentro del re7uerimiento m!nimo de 0#2*m a cada lado del centro de la base#

167

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE B..% DISEÑO DE $RESAS DE !ARDFILL Eta&a > Condici%n de servicio m#s sismo )BO

@a eta$a 0 de an/lisis considera la condición de servicio de la $resa de %ardfill m/s el sismo base de o$eración5 S9# .n la Fi# "3#"* se muestran las caras involucradas en la eta$a 0 de an/lisis5 la cual involucra la $resión %idrost/tica e %idrodin/mica actuando en la cara auas arriba5 las fuer,as de sub$resión en la base y la fuer,a debida a un evento s!smico considerando el sismo base de o$eración BS9# .n la Fi# "3#"8 se muestra el diarama de cuer$o libre corres$ondiente#

*+,-

Pt

Pd Pe

S-

(a'd)ill

a%

u

Fi# "3#"* Condiciones de cara Beta$a 0

Pt P0e 4 H P0d4

P0e0 H P0d0

9S7-

9a%4

(a'd)ill

y9

S7-

9a%0

+

7 @2

u :u

Fi# "3#"8 Diarama de cuer$o libre Beta$a 0 Debido a la riide, de la $resa5 la fuer,a %ori,ontal debida al sismo5 F SBO 5 se obtiene como el $roducto de la aceleración es$ectral de dise(o y el $eso de toda la sección de la $resa#

169

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE B..% DISEÑO DE $RESAS DE !ARDFILL F SBO =S adSBO 2 t = 0.2 2 15840=3168 (N

@a com$onente vertical5 Ev 5 y %ori,ontal5 Eh 5 del em$u6e %idrost/tico res$ectivamente son< 2

γ a 2 h 10 2 252 Eh= = = 3125 (N 2 2 2

Ev =

γ a 2 h 2 ( 2

= ( 2 Eh =0.4 2 3125=1250 (N / 5

@a fuer,a de sub$resión es< . =( h + h2 ) 2

 2

2t 2γ a =25 2

34 2

2 1.0 2 10 =4250 (N

Se determinaron las $resiones %idrodin/micas e6ercidas sobre el cuer$o de la $resa5 em$leando las e4$resiones $ro$uestas $or Housner B"-*85 su$oniendo una $resa de %ardfill de caras simétricas con talud 3#)<"#35 altura de '3 m5 nivel del embalse de &0 m# .l /nulo de la cara de la $resa res$ecto a la %ori,ontal es de 28Q5 $or tanto la distribución del coeficiente C $ $resiones sobre la cara auas arriba de la $resa se obtiene inter$olando las curvas $ara diferentes /nulos5 se muestra en la Fi# "3#"1 0.& 0.' 0.H 0.%

8J

0.5

%0I

0.

5I

0.G

%'I

0.2 0.1 0 0 0 .1 0 .2 0 .G 0 . 0 .5 0 .% 0 .H

C*

Fi# "3#"- Coeficiente de $resión calcualdo $ara inclinación de talud 28Q BHousner "-*8 171


A$licando la ecuación $ara &0m de $rofundidad a $artir del nivel de aua se obtiene< p=# p 6 a0 h=( 0.58 ) ( 1.0 ) ( 0.2g ) ( 25 )=2.9 t / 5

2

@as $resiones %idrodin/micas e6ercidas en la cara auas arriba de la $resa se $resentan en la Tabla "3#'# @a distribución de $resiones corres$ondiente se muestra en la Fi# "3#&3# Tabla "3#' Presiones %idrodin/micas sobre la cara auas arriba de la $resa de %ardfill - m

-Mh

C&

2e tMm7

0 2.5 5 H.5 10 12.5 15 1H.5 20 22.5 25

0 0.1 0.2 0. 0. 0.5 0.% 0.H 0.' 0.& 1

0.5'0 0.5H0% 0.5% 0.5 0.51 0.%' 0.2 0.5' 0.2%% 0.1% 0.012

2.&02 2.'5 2.'2 2.H2 2.5H 2.5 2.12 1.H& 1. 0.'2 0.0%2

%' 0 25 20

8, K6

15 10 5 0 0.0 1.0 2.0 .0 .0 5.0 %.0 H.0 '.0

* KJ62

Fi# "3#&3 Distribución de $resiones BHousner5 "-*8# Calculando el /rea del diarama de $resiones se obtiene el em$u6e %idrodin/mico auas arriba# Ehd =523 (N 173


@a com$onente vertical y %ori,ontal del em$u6e auas arriba res$ectivamente es< Evd = E hd 2se9; =523 2se9 22=195.9 (N ; =523 2 cos 22=¿ 484.9 (N Ehd = Ehd 2 cos ¿ Estabilidad contra desli,amiento0

@a suma de fuer,as %ori,ontales es< 1H = E h + Ehd + F SBO=3125 + 484.9+ 3168=6777.9 (N

@a suma de fuer,as verticales es< 1N = t + E v + E vd −. =15840+ 1250 + 195.9− 4250=13035.9 (N

a Considerando la co%esión del %ardfill< FSs =

c A  + 1N 2 tan ϕ 1H

=

+

800 2 34 2 1 13035.9 2 tan 45 6777.9

=5.9

b Considerando la co%esión con la cimentación< FSs =


=

550 2 34 2 1+ 13035.9 2 tan 24 =3.6 6777.9


σ A ,B =

∑ N 3 M 2 +

A

A

&

@a suma de momentos resulta<

∑ M

SBO

=− F SBO 2 + FSBO =−3168 2 12.27=−38871.36 ( N 2 5

( )+( ( h

∑ M

=− E h 2

∑ M

=−8958.3 (N 25

he

he

3

E v

 2

−( 2

h 3

))=¿ 175


(

∑ M

=− Ehd 2 hd

∑ M

hd

h 3

)( ( + E vd

 2

−( 2

h 3

)) (

− E hazd 2

h az 3

)( ( + E vazd

 2

−( 2

haz 3

))=¿

=−496.4 (N5

∑ M =−. (( x )− 2 )=−31450 (N 2 5 u

u

M =

∑ M

SBO

+ ∑ M he + ∑ M hd + ∑ M u =¿

M =−38871.36−8958.3 −496.4 −31450 =−79770.12


13035.9 34

+

−79770.12 2 17 3275.33

σ B=

=−30 'a

13035.9 34

−

−79770.12 2 17 3275.33

=797 'a

.l diarama de $resiones en la base se muestra en la fiura "3#&"

[KPa\

5 2

7 9 7

Fi# "3#&" Diarama $resiones en la base Beta$a 0 Se $resentan esfuer,os de tensión en la base de la $resa y no cum$le con el re7uerimiento establecido $ara esfuer,os $ermisibles5 $or lo tanto se reali,ar/ un an/lisis considerando drenes verticales $ara aliviar la sub$resión en la base bicación de la resultante0

177



∑ M ∑ N

|−

e=

|=

79770.12 13035.9

6.11 5

@a fuer,a resultante cae a 2#"" m del centroide del cuer$o de la $resa5 lo cual no se encuentra dentro del re7uerimiento m!nimo de 0#2*m a cada lado del centro de la base

179


&nálisis de estabilidad para la condición 2." Considerando drenes en el cuerpo de la presa

Se reali,a el $rocedimiento an/loo al reali,ado en la eta$a ' con drenes Se considera la construcción de una aler!a filtrante a una distancia de "3 m a $artir la cara de concreto auas arriba y una eficiencia de drena6e del *0M# @a altura H' B>SAC.5 "--05 resulta< h3= : ( h −h4 )

( ( − ) )+  x 

h4

donde : =1− E E


: =1− 0.75=0.25

h3= 0.25 ( 25 −0 )

(

( 34 −10 ) 34

)+ =

0 4.4 5


@a distancia x u 5 es< x u=26 5


@a suma de fuer,as %ori,ontales es< 1H = E h + Ehd + F SBO=3125 + 484.9+ 3168=6777.9 (N

@a suma de fuer,as verticales es< 181

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE B..% DISEÑO DE $RESAS DE !ARDFILL 1N = t + E v + E vd −. =15840+ 1250 + 195.9−2000 =15285.9

a Considerando la co%esión del %ardfill< FSs =

c A  + 1N 2 tan ϕ 1H

=

+

800 2 34 2 1 15285.9 2 tan 45 6777.9

=6.27

b Considerando la co%esión con la cimentación< FSs =


=

+

550 2 34 2 1 15285.9 2 tan 24 6777.9

=3.76


σ A ,B =

∑ N 3 M 2 +

A

A

&


∑ M =−. (( x )− 2 )=−2000 2 (26 − 342 )=−18000 (N 2 5 u

u

M =

∑ M

SBO

+ ∑ M he + ∑ M hd + ∑ M u =¿

M =−38871.36−8958.3 −496.4 −18000 =−66326.06


15285.9 −66326.06 2 17 + =105 'a 34 3275.33

σ B=

15285.9 34

−

−66326.06 2 17 3275.33

=794 'a

.l diarama de $resiones en la base se muestra en la fiura "3#&"

183


[KPa\

0 1 1 4 9 7

Fi# "3#&& Diarama $resiones en la base Beta$a 0 con drenes# @os esfuer,os transmitidos al terreno de cimentación son de com$resión5 $or lo tanto5 $ara evaluarlos se com$aran con la ca$acidad de cara del terreno5 la cual es de "2 +Pa * c > σ B =794 'a> σ A =105 'a > 0



∑ M ∑ N

|

e=

|=

−66326.06 15285.9

4.33 5

@a fuer,a resultante cae a )#'' m del centroide del cuer$o de la $resa5 lo cual se encuentra dentro del re7uerimiento m!nimo de 0#2*m a cada lado del centro de la base#

185

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE B..% DISEÑO DE $RESAS DE !ARDFILL Eta&a 5 Condici%n de servicio m#s sismo )'C.

Debido a 7ue la eta$a 0 necesita drenes $ara satisfacer las necesidades de dise(o5 se anali,ar/ la eta$a 2 con drenes# &nálisis de estabilidad para la condición 2." Considerando drenes en el cuerpo de la presa

Se reali,a el $rocedimiento an/loo al reali,ado en la eta$a ' y 0 con drenes Se considera la construcción de una aler!a filtrante a una distancia de "3 m a $artir la cara de concreto auas arriba y una eficiencia de drena6e del *0M# @a altura H' B>SAC.5 "--05 resulta< h3= : ( h −h4 )

(

( − x ) 

)+

h4

donde : =1− E E


: =1− 0.75=0.25

h3= 0.25 ( 25 −0 )

(

( 34 −10 ) 34

)+ =

0 4.4 5


@a distancia x u 5 es< x u=26 5

@a com$onente vertical y %ori,ontal del em$u6e auas arriba res$ectivamente es< 187

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE B..% DISEÑO DE $RESAS DE !ARDFILL Evd = E hd 2 se9; =784 2se9 22= 293.7 (N ; =784 2 cos 22=¿ 726.9 (N Ehd = E hd 2 cos ¿ Evaluación de la estabilidad contra desli,amiento

@a suma de fuer,as %ori,ontales es< 1H = E h + Ehd + F SM# =3125 + 726.9 + 4752 =8603.9 (N

@a suma de fuer,as verticales es< 1N = t + E v + E vd −. =15840+ 1250 + 293.7− 2000=15383.7

a Considerando la co%esión del %ardfill< FSs =

c A  + 1N 2 tan ϕ 1H

=

+

800 2 34 2 1 15383.7 2 tan 45 8603.9

= 4.9

b Considerando la co%esión con la cimentación< FSs =


=

+

550 2 34 2 1 15383.7 2 tan24 8603.9

=2.9


σ A ,B =

∑ N 3 M 2 +

A

A

&


∑ M

=− F SM# 2 + FSM# =−58307.04 ( N 2 5

SM#

∑ M

he

∑ M

he

∑ M

he

( )+( ( − ))=¿ −( )+( ( − )) =− E h 2

h

E v

3

3125 2

25 3



2

1250

(2

h

3

34 2

0.4 2

25 3

=−8958.3 (N25

189


))=¿ ) ( ( )) ( ) ( ( )+( ( − ))−( )+( ( − ))=¿

∑ M

( =−(

∑ M

=−744.3 (N5

∑ M

=− Ehd 2 hd

hd

hd

h 3

+ E vd

726.9 2

25 3



2

−( 2

293.7

h

3

34 2

− E hazd 2 0.4 2

25 3

h az 3



+ E vazd 227.9 2

2

3 3

−( 2

haz 3

92

34 2

0.4 2

3 3

∑ M =−. (( x )− 2 )=−2000 2 (26 − 342 )=−18000 (N 2 5 u

u

M =

∑ M

SM#

+∑ M he + ∑ M hd + ∑ M u =¿

M =−58307.04− 8958.3−744.3 −18000=−86009.64


15383.7 34

+

−86009.64 2 17 3275.33

σ B=

=6 'a

15383.7 34

−

−86009.64 2 17 3275.33

=899 'a

.l diarama de $resiones en la base se muestra en la fiura "3#&2

[KPa\ 3 . 2 1

1 . 0 0 9

Fi# "3#&' Diarama $resiones en la base Beta$a 2 con drenes @os esfuer,os transmitidos al terreno de cimentación son de com$resión5 $or lo tanto5 $ara evaluarlos se com$aran con la ca$acidad de cara del terreno5 la cual es de "2 +Pa 191


* c > σ B =899 (a > σ A =6 (a > 0 bicación de la resultante0

@a e4centricidad de la resultante se obtiene con la siuiente e4$resión< e=

∑ M ∑ N

|

e=

|

−86009.64 =5.59 5 15383.7

@a fuer,a resultante cae a 0#0- m del centroide del cuer$o de la $resa5 lo cual se encuentra dentro del re7uerimiento m!nimo de 0#22m a cada lado del centro de la base# @a tabla "3#) muestra un resumen $or cada eta$a de la ubicación de la resultante5 la cual si sobre $asa la distancia $ermisible indica 7ue se $resentan esfuer,os de tensión5 lo cual ocurre =nicamente en la eta$a 2 sin drenes# Tabla "3#) >bicación de la resultante en la base Condición de cara

>bicación de la resultante Bm

>bicación $ermisible de la resultante Bm

& ' ) 0 0 con drenes 2 con drenes

&#) � '#& 2#"" )#'' 0#0-

0#22 0#22 0#22 0#22 0#22 0#22

193


Tabla "3#0 Factores de seuridad y esfuer,os en la base de la $resa de %ardfill Revisión de .ta$a de Talud KO3#0 Talud KO3#2 Talud KO3#* estabilidad an/lisis & 0#& ' 0#'' ' 0#& 0#-0 2#2' FSdesli,amiento ) )#" )#* 0#&0 0 &#& &#) "�* 2 "#* "#8 "#-* & 2"& 0*' 0))#& ' )0" )&0 )33#& ]m/4 BPa ) )-" ))2 )"'#0 2') 020 0"2#* 2 *&3 2'0 0*)#& &88 '3' '") ' &-& &0* &22 ]min BPa ) "-* '"* &)) 0 8' "'0 "2* 2 "3 *0 ""8 Para encontrar la eometr!a ó$tima se %ace la evaluación de la estabilidad de la $resa variando la inclinación de sus caras# Adem/s del an/lisis $resentado considerando KO3#05 se reali,an dos an/lisis adicionales considerando KO3#2 y KO3#*# @os factores de seuridad obtenidos $ara las seis eta$as de an/lisis y las dos $endientes anali,adas se muestran en la Tabla "3#2# De las Tablas "3#0 y "3#2 se $uede concluir 7ue la eometr!a o$tima de la $resa de %ardfill se obtiene considerando un talud KO3#) con drenes o bien taludes con KO3#0 ya 7ue cum$len con los re7uerimientos de estabilidad5 esfuer,os en la base de la $resa# >na ve, reali,ado el an/lisis de estabilidad lobal de la cortina5 se deber/ evaluar la estabilidad interna verificando 7ue no se $resenten esfuer,os de tensión dentro del cuer$o de la $resa# De forma $reliminar se $uede em$lear la fórmula de la escuadr!a a diferentes $rofundidades5 como se e4$lica en el cuer$o del manual5 sin embaro $ara el dise(o final en $resas de %ardfill5 es indis$ensable desarrollar un modelo numérico $ara tomar en cuenta el im$acto de la deformabilidad del terreno de cimentación en la eneración de esfuer,os de tensión5 y verificar 7ue no e4istan deformaciones e4cesivas en el contacto %ardfill1cara de concreto5 7ue $udieran llevar a concentraciones de esfuer,os en la cara im$ermeable# De cual7uier forma5 estos deben de ser com$arados con los $ermisibles#

195


Reerencias >S Army Cor$s of .nineers B"--05 Gravity Dam Desin .+1"""31&1&&33# >SR B"-8*5 Desin of Small Dams5 T%ird .dition5 >nited States De$artment of t%e interior ureau of Reclamation# oZles Nose$%# .# B&33-5 Foundation Analysis and Desin5 Fift% edition5 +cGraZ1Hill# C%Zan A#and Housner G# B"-*85 Hydrodynamic $ressures on slo$in dams durin eart%7uaKes# Part"# +omentum met%od5 N# Fluid +ec%# :ol 8*<& $$ ''01')"5 Great ritain#

197


6A.7 E+E'2$O DE REI)I/, ,4'NRIC( DE E)F4ER9O) 8 DEFOR'(CIO,E) DE $( 2RE)( 6A.7.6. DE)CRI2CI/, GE,ER($ DE $( 2RE)( .l dise(o $reliminar de la $resa obtenida con la metodolo!a sim$lificada descrita anteriormente debe revisarse a través de simulaciones numéricas 7ue $ermitan anali,ar la res$uesta del sistema embalse1cortina1cimentación ante cara sostenida y s!smica# .n $articular el an/lisis din/mico debe llevarse a cabo en el dominio del tiem$o5 evaluando los factores de seuridad locales en el cuer$o de la $resa y cimentación# :alores cercanos o menores a la unidad $ueden conllevar arietamiento del cuer$o de la $resa 7ue debe evaluarse a$ro$iadamente# @a $resa anali,ada es simétrica5 tiene una altura de '3m a $artir del terreno natural5 corona de "3m de anc%o5 $endientes de 3#) BH<"B:# .l anc%o del cauce es de &3m# Para simular la relación esfuer,o deformación del %ardfill se utili,a el criterio de falla +o%r1Coulomb# Se su$one 7ue la $resa est/ des$lantada sobre roca fracturada# @as $ro$iedades de la roca de cimentación consideradas son< módulo de Youn de ""5333 [+$a\ y co%esión5 c5 de )0 [+$a\# Para cada $royecto estos valores se deben determinar mediante las $ruebas de laboratorio a$ro$iadas# @a variación de los $ar/metros de resistencia c5 y φ5 y deformabilidad5 .5 del %ardfill se asumió como se resume en la Tabla "3#2# Se simuló el $roceso constructivo $or ca$as de '#*0m5 %asta llear a la altura de '3m# .l caso %i$otético de la $resa se consideró ubicado en el centro del estado de ;ayarit5 a unos &03 m %acia auas arriba de la confluencia del r!o San Pedro con el arroyo .l ;aran6o# Tabla "3#2# Pro$iedades a corto y laro $la,o

c '2aP Q P E '2aP Días

Corto 2!azo 3#0& )& )03#)0 ")

$argo 2!azo 3#*& ))#& 8028#'* "3&

@a relación de Poisson del %ardfill y sus densidades se consideraron como O3#"2 y LO&#' ;m' res$ectivamente# @a cara ubicada auas arriba est/ cubierta con concreto $ara evitar filtraciones# @as $ro$iedades del concreto son< relación de Poisson O 3#&05 y densidad de LO &#) [tonm '\# @a variación de los $ar/metros mec/nicos del Hardfill con el tiem$o se $resenta en la Tabla "3#*#5 adem/s de las Fiuras "3#&)# y "3#&0#5 la resistencia m/4ima 7ue alcan,a el Hardfill se $resenta a los "3& d!as#

199


Tabla "3#*# :ariación de los $ar/metros del Hardfill con el tiem$o φ (°) T KD3( E KM$(  KM$( 1 5&.2 0.5 2.0 2% 515.0 0.% 2.' ' H'0.H 0.% .1 51 5'25.0 0.H . % %%&%.' 0.H .% HH H%0.& 0.H .' &% 'H.2 0.H .1 102 'H. 0.H .2 10000.0

0.' 0.H 0.% 0.5 0. 9
'000.0 %000.0

E
000.0

E

2000.0 0.0 0

20

0

%0

D8&

Fiura "3#&)# :ariación de la elasticidad B. y la co%esión Bc del Hardfill .5 .0 G.5 G.0 >
2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0

20

0

%0

'0

100

120

D8&0

Fiura "3#&0# :ariación del /nulo de fricción del Hardfill ^ 6A.7.7. C(RG() DE DI)E1O 201


@as caras de dise(o se dividen en dos $artes5 la $rimera de ellas corres$onde a caras est/ticas BFi# "3#&25 y se com$onen $or el $eso $ro$io de la cortina5 la $resión %idrost/tica oriinada $or el embalse y el tirante de aua $resente auas aba6o5 la $resión enerada $or el material de a,olve5 as! como la fuer,a de sub$resión $resente en el fondo de la $resa#

Fiura "3#&2# Fuer,as est/ticas $ara el an/lisis de la $resa sin drenes# .l seundo ru$o se intera $or las caras oriinadas $or acciones s!smicas5 en la Fi# "3#&* se $resenta un es7uema de estas acciones5 7ue incluyen las fuer,as inerciales eneradas $or la masa de la $resa5 y las %idrodin/micas y del a,olve en la cara auas arriba5 consider/ndolo como un fluido con el $eso volumétrico del a,olve# @as caras %idrodin/micas auas aba6o usualmente no se toman en cuenta $or ser m/s desfavorable desde el $unto de vista del e7uilibrio de fuer,as %ori,ontales# Para este caso se consideran dos sismos de dise(o5 el Sismo ase de 9$eración BS9 y el Sismo +/4imo Cre!ble BS+C 7ue se asocian con $eriodos de retorno de ")) y "333 a(os B$ara este caso5 res$ectivamente#

Fiura "3#&*# Fuer,as din/micas $ara el an/lisis de la $resa 6A.7.;. CO'BI,(CIO,E) DE C(RG( 203


.l an/lisis de esfuer,os y deformaciones se lleva a cabo $ara las condiciones de cara )5 0 y 2 descritas en la Tabla "#" dentro del cuer$o del manual# 6A.7.0. 'ODE$O ,4'NRICO @os modelos numéricos consideran a la $resa como un cuer$o %omoéneo $or ca$a# .l sistema de la cortina de la $resa se modeló con un modelo de diferencias finitas BFi# "3#&8# .sto nos $ermite obtener %istorias de aceleraciones5 velocidades y des$la,amientos simult/neamente con los factores de seuridad# >n modelo elasto1 $l/stico +o%r Coulomb fue usado $ara re$resentar la relación esfuer,o1deformación del %ardfill y la roca de cimentación# @as masas adicionales tomadas en cuenta $ara las $resiones %idrodin/micas se obtuvieron usando la ecuación de Housner#

Fiura "3#&8# +odelo de diferencias finitas de la $resa Hardfill

6A.7.>. DE)CRI2CI/, DE$ ('BIE,E )3)'ICO 6A.7.>.6 Im&ortancia estructura! .n el Ca$!tulo de Dise(o $or Sismo del +anual de Dise(o de 9bras Civiles de la CF.5 se considerar/n tres niveles de im$ortancia estructural< convencional B5 im$ortante BA y muy im$ortante BA# .n las estructuras del Gru$o A se distinuen las 7ue $ertenecen o se relacionan con el sector enerético o industrial# .n las estructuras del Gru$o  se %ace una división relacionada con el tama(o de la construcción# De$endiendo de la im$ortancia estructural se $ro$orcionan es$ectros reionales y se dan recomendaciones $ara la construcción de es$ectros es$ec!ficos de sitio#

205


Gru&o (H @as estructuras de ran im$ortancia5 son a7uellas en 7ue se re7uiere un rado de seuridad e4trema5 ya 7ue su falla causar!a cientos o miles de v!ctimas fatales5 yo raves $érdidas y da(os económicos5 culturales5 ecolóicos o sociales# Por otra $arte5 las estructuras del Gru$o A se dividen de la siuiente forma< _ Gru$o A5 Clase I BA"< .structuras 7ue $ertenecen o se relacionan con el sector enerético o industrial# _ Gru$o A5 Clase & BA&< .structuras del Gru$o A 7ue no $ertenecen ni se relacionan con el sector enerético o industrial# .n nuestro caso es una $resa $e7ue(a Baltura menor o iual a '3m5 $or lo 7ue se clasificar/ como A"5 con un factor de im$ortancia de "#0# 6A.7.>.7 Es&ectros de diseo @os es$ectros de dise(o reionales se construyen a $artir de la aceleración m/4ima en roca y con factores y $ar/metros $ara tomar en cuenta las condiciones del terreno# @os es$ectros 7ue se obtienen corres$onden al 0M de amortiuamiento estructural y se obtendr/n siuiendo los enfo7ues $robabilista y determinista5 de$endiendo de la im$ortancia de la estructura# .n nuestro caso se utili,ar/ es$ectro determinista# .l es$ectro de res$uesta determinista est/ asociado a la acción de una fuente s!smica y solo se deber/n construir $ara estructuras A y A"# Para su caracteri,ación se re7uiere5 al menos5 del tama(o de la fuente y de la distancia al sitio de interés# Para el c/lculo de es$ectros de res$uesta deterministas se utili,ar/n leyes de atenuación $ara sismos de corte,a5 subducción y $rofundidad intermedia# 6A.7.>.; Consideraciones genera!es @a revisión de una $resa de %ardfill ante condiciones s!smicas debe considerar dos niveles de intensidad definidos $or el sismo base de o$eración BS9 y el sismo m/4imo cre!ble BS+C# .l $rimer evento BS9 est/ asociado a un $eriodo de retorno de ")) a(os mientras 7ue el S+C est/ asociado a "3335 &3335 )333 y %asta "3333 a(os de $eriodo de retorno de$endiendo de la ,ona donde se ubi7ue el $royecto y el rieso ace$table# .s usual 7ue una ve, definido el es$ectro de $eliro uniforme5 .P>5 $ara ambos escenarios s!smicos5 sea necesario llevar a cabo la eneración de sismos sintéticos5 considerando al menos seis sismos semilla de las ,onas sismoénicas 7ue controlen el rieso s!smico en la ,ona de $royecto5 con un método de a6uste en el dominio del tiem$o # @a metodolo!a $ara obtener los .P> y las %istorias de aceleraciones sintéticas se $resenta en el ca$ C#"' Dise(o $or sismo# .n el dise(o de $resas5 el IC9@D recomienda tomar en cuenta tres diferentes niveles de movimiento s!smico< •

Sismo base de o$eración BS9# .l sismo $ara el cual la estructura es dise(ada $ara $ermanecer en servicio5 con un da(o re$arable des$ués del evento s!smico# .s $robable 7ue el 9. se $resente en la vida =til de la estructura# 207


Sismo m/4imo de dise(o BS+D# .l sismo 7ue se es$era $rodu,ca el nivel m/s fuerte de movimiento en el sitio#

•

Sismo m/4imo cre!ble BS+C# .l sismo m/s fuerte 7ue $uede ocurrir conociendo fallas es$ecificas o fuentes s!smicas a $artir de datos eolóicos y sismolóicos#

6A.7.>.0 Es&ectro de diseo &ara e! )ismo '#imo Creí*!e )'C @os c/lculos reali,ados $ara obtener los es$ectros s!smicos de sitio est/n basados en las recomendaciones de la u!a Selectin Seismic Parameters for @are Dams $ublicada $or el International Committee on @are Dams BIC9@D en &3"3# .n ésta se recomienda utili,ar la metodolo!a determinista $ara establecer el es$ectro del Sismo +/4imo Cre!ble B+C. $or sus silas en inlés5 S+C $or sus silas en es$a(ol# @as fuentes se seleccionaron de forma determinista basadas en la sismicidad %istórica e instrumental obtenida de art!culos y de los diversos cat/loos de instituciones nacionales e internacionales# Dado 7ue no e4isten aceleroramas $ara las diversas fuentes s!smicas m/s relevantes del sitio de estudio5 se $rocedió a la obtención de reistros s!smicos sintéticos a través de un modelo estoc/stico de fuente finita5 tomando en cuenta la eometr!a de la falla y del $atrón de radiación de la fuente s!smica# .l es$ectro se construyó tomando en cuenta 7ue el es$ectro de res$uesta $ara el sismo +/4imo Cre!ble B+C. es la envolvente de los es$ectros $ara cada una de las fuentes s!smicas m/s desfavorables BCF.5 &3"0# Haciendo uso del modelo de fuente finita se tomar/ el es$ectro $romedio m/s un $ercentil entre 03 y -) M BFi "3#&-## El CE no podrá ser mayor 9ue el espectro de respuesta probabilista E: para 24%, años/ 9ue corresponde al 27 de probabilidad de ecedencia de la aceleración en un periodo de obseración de , años.

6A.7.>.> 'etodo!ogía Determinista .l $roceso de modelado consistió en reali,ar un an/lisis de los sismos asociados al ti$o de ru$tura incluyendo el uso de un modelo estoc/stico de falla finita desarrollado $or eresnev y AtKinson en "--* y "--8 BCF.5 &3"0# @os $ar/metros 7ue se utili,aron en la simulación numérica fueron determinados $or observaciones sismolóicas reali,adas $ara el $royecto a través de la detección $or una red local# Finalmente5 el método estoc/stico utili,ado suma las contribuciones de elementos discretos de la fuente s!smica $ara obtener un sismorama sintético 7ue contena los efectos de directividad5 duración y atenuación as! como la manitud asinada a la falla a modelar# A $artir de estos resultados5 se obtuvieron series de tiem$o sintéticas Bsismoramas $ara una estructura ca$a, de enerar temblores de manitud %asta * rados BFalla Rosario :ie6o# Con estas series de tiem$o se estimaron es$ectros de res$uesta con un 0M de amortiuamiento5 a $artir de la envolvente de éstos5 se define el es$ectro de sitio final Blos es$ectros $ara los amortiuamientos de * y "3M se encuentran en el ane4o &# De forma similar5 se modeló la ,ona de ru$tura del sismo de "-'& locali,ado 209


en la costa de Nalisco y asociado a la subducción# Para este caso5 se utili,ó una manitud de 8#&5 un /rea de ru$tura de &&3 $or 83 Km y una ca!da de esfuer,os de 03 bars# @a tabla 0#" muestra los $rinci$ales $ar/metros usados en la modelación $ara cada falla# Para los $ar/metros en neritas se usaron en un intervalo mostrado en la Tabla 0#"5 el caso $articular de la orientación de la falla los valores corres$onden al rumbo y ec%ado de la falla# @as fiura "3#&- muestra el $romedio B$ercentil 035 el $romedio m/s una desviación est/ndar B$ercentil 8) y el $romedio m/s dos desviaciones est/ndar B$ercentil -* $ara la falla local y subducción5 res$ectivamente# Como $uede a$reciarse los valores de aceleración son menores $ara la subducción 7ue los obtenidos $ara el sismo local# Tabla "3#8# Princi$ales $ar/metros usados en la modelación de la fuente s!smica BCF.5 &3"0 2ar#metros @atitud @onitud Caída de esuerzos +anitud de momento Orientaci%n de a!!a Dimensión de falla BKm Dimensión de subfallas BKm 2roundidad oca! Sm  Bf .fecto de sitio Función de ventana :ru$beta Densidad de corte,a Distribución de des$la,amiento

Fa!!a !oca! &&#&* 1"30#"8 ?A66A *#3 ;AA;0AJ >A:A 234)3 040 A7A 3#3'0 "83 f`3#)0 Roca o4 car 3#8 cm' Aleatorio

)u*ducci%n &3#2" 1"30#&2 0A5A 8#& 66A6>AJ >A:A &&3483 "34"3 A7A 3#3'0 '83 f`3#)0 Roca o4 car 3#8 cm' Aleatorio

211

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE B..% DISEÑO DE $RESAS DE !ARDFILL 600

500

) l a g 400 ( n ó i c 300 a r e l e c 200 A

Percentil 50 Percentil 84 Percentil 97

100

0 0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Periodo, (s)

Fiura "3#&-# .s$ectros de res$uesta de las "33 simulaciones y $ercentiles 035 8) y -* 6A.7.>.5. OBE,CI/, DE (CE$EROGR('() )I,NICO) Para obtener una %istoria de tiem$o cuyo es$ectro de res$uesta se a6uste ra,onablemente al es$ectro de res$uesta de dise(o5 la %istoria de tiem$o seleccionada Bsemilla fue modificada usando el método $ro$uesto $or @il%anand y Tsen B"-885 con el cual Abra%amson B"--' eneró un $rorama de a6uste es$ectral# .ste método lleva a cabo una modificación en el dominio del tiem$o de una %istoria de aceleraciones $ara %acerla com$atible con un es$ectro de referencia es$ecificado# @a modificación de la %istoria de tiem$o $uede efectuarse con una variedad de diferentes modelos# Al %acerlo as!5 el $eriodo laro de la fase no estacionaria de la %istoria de tiem$o oriinal se conserva# A$licando el método descrito en el a$artado anterior5 se eneraron los aceleroramas sintéticos como se detalla en el diarama de flu6o mostrado en la Fiura "3#'3#

213


Fiura "3#'3 +etodolo!a $ara enerar %istorias de aceleraciones sintéticas @os $ar/metros 7ue deben tomarse en cuenta en la eneración de aceleroramas sintéticos con la metodolo!a $resentada en la anterior5 son< a .l n=mero de iteraciones $or reali,ar5 y b @a tolerancia de converencia .stos dos $ar/metros tienen una influencia directa en los resultados en el a6uste es$ectralE se $uede observar 7ue tanto el n=mero de iteraciones como la tolerancia de converencia son factores 7ue nos llevan a minimi,ar el error entre el es$ectro de res$uesta de referencia y el a6ustado#

|e|= are%ere9c
Bec# "3#"

Donde< are%ere9c
|e| es el error entre el es$ectro de referencia y el es$ectro a6ustado5 este tiene 7ue ser minimi,ado en el $roceso de a6uste# 215


.l valor fi6ado como la tolerancia de converencia es el error m!nimo 7ue $uede e4istir entre el es$ectro de referencia y el a6ustado5 $or lo 7ue5 a menor n=mero de iteraciones corres$onde un mayor valor en la tolerancia de converencia5 y a mayor n=mero de iteraciones menor valor en la tolerancia de converencia# .ste $rocedimiento $odr!a $lantearse con técnicas numéricas como los aloritmos enéticos5 los cuales $udieran %acer m/s eficiente el $roceso# 6A.7.5.6 )e!ecci%n de sismos semi!!a Al menos seis sismos semilla se deben considerar $ara an/lisis en el dominio del tiem$o del sistema embalse1cortina1cimentación5 con diferentes contenidos de frecuencia5 am$litudes es$ectrales5 y duraciones5 asociados a las diferentes ,onas sismoénicas 7ue controlen el rieso s!smico del $royecto# .n el e6em$lo mostrado se consideró como sismo semilla un evento de lara duración Bsubducción reistrado en terreno firme# @a Tabla "3#- resume la información relevante de este evento# .n la r/fica de la Fiura "3#'" se muestra el acelerorama y el corres$ondiente es$ectro de res$uesta normali,ado se muestran en la Fi# "3#'&# Tabla "3#- Sismo semilla em$leado $ara la obtención de %istorias sintéticas Sismo

.stación

A(o

+anitud Distancia e$icentral5 R BKm Profundidad focal BKm PGA B

Subducción +ic%oac/n BTerreno firme "-80 +ZO8#"

'-0

0

3#3'&

0.04 0.03 0.02 0.01 +cele'acin (")

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0

20

40

60

80

100

120

140

160

ie$&o (s)

Fiura "3#'"# Historia de aceleraciones del sismo semilla

217

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE B..% DISEÑO DE $RESAS DE !ARDFILL 3.5 3

5A de a$o'ti"ua$iento

2.5 2 +cele'acin es&ect'al, Sa@P+ 1.5 1 0.5 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Pe'iodo,  (s)

Fiura "3#'&# .s$ectro de res$uesta unitario del sismo semilla .n la Fiura "3#'' se muestra la com$aración del es$ectro ob6etivo y el es$ectro sintético $ara el S95 la fiura "3#') muestra el es$ectro ob6etivo y el es$ectro sintético $ara el S+C# .l a6uste es$ectral en ambos casos es ace$table# 0.5 0.5 0. 0.G5 0.G

A+(-7) *+(, S( K9L SBO

0.25 0.2

SBO ANUSTE

0.15 0.1 0.05 0 0

1

2

G



$+-/, T KL

Fiura "3#''# .s$ectros de res$uesta sintéticos y ob6etivos $ara el S9

219

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE B..% DISEÑO DE $RESAS DE !ARDFILL 0.5 0.5 0. 0.5 0. 0.25 A+(-7) *+(, S( K9 0.2 SMC 0.15 0.1 0.05 0

SMC AUSTE

0

1

2





$+-/, T K

Fiura "3#')# .s$ectros de res$uesta sintéticos y ob6etivos $ara el S+C

6A.7.:. Res&uesta ante carga sostenida .l modelo numérico simula el $rocedimiento constructivo de la $resa5 variando las $ro$iedades mec/nicas del Hardfill con el tiem$o# @a $rimera revisión se reali,a en condiciones est/ticas al su$oner el término de la construcción y el $rimer llenado de la $resa# @as siuientes fiuras $resentan los resultados del modelado numérico5 y las condiciones iniciales de los dos modelos numéricos $ara condiciones s!smicas# .l $rorama F@AC'D utili,a diferencias finitas $ara resolver los modelos 7ue se simulan5 adem/s tienen diferentes modelos constitutivos# .l modelo $ara el caso est/tico se muestra en la fiura "3#'0# .l sentido del flu6o del aua es en dirección 4 $ositiva# @a $resa se des$lanta a los 3 m y tiene una altura de '3 m5 deba6o de la $resa se simularon '3m de roca#

F4 / (94( %06

%06 1026 Fiura "3#'0# +odelo est/tico reali,ado con F@AC 'D 221


>n corte transversal de la $resa $ermite $er mite ver las 8 ca$as 7ue se colocar/n $ara tener los '3#3m de altura de la cortina al transcurrir "3& d!as# Cada eta$a constructiva tiene un es$esor de '#*0m $ara las $rimeras 2 eta$as# eta$as # Para las ca$as * y 85 los es$esores son de )#3m y '#0m res$ectivamente BFiura "3#'2# 3.50

a&a 8

4.00

a&a 7

3.75

a&a 6

3.75

a&a 5

3.75

a&a 4

3.75

a&a 3

3.75

a&a 2

3.75

a&a 1

30.00

Fiura "3#'2# Corte transversal de la $resa .n la fiura "3#'* se rafican los contornos de des$la,amientos verticales en la cara auas arriba5 auas aba6o y en un corte transversal de la cortina# .n la cara auas arriba se observan asentamientos en el centro de la cortina y corona $r/cticamente nulos# @a cara de auas aba6o concentra los des$la,amientos en el centro de la cortina# .l corte trasversal de la cortina $ermite ver cómo var!an los des$la,amientos en ambas caras y en el interior de la cortina5 des$la,ando la cortina en dirección auas aba6o5 $rovocando e4$ansiones en la corona en la cara de auas arriba#

a

b

c Fiura "3#'*# Contorno de des$la,amientos verticales a auas arriba5 b auas aba6o y c corte transversal de la cortina B>nidades en m

223


Como $arte de los an/lisis reali,ados r eali,ados se obtuvieron los des$la,amientos verticales en el des$lante de la $resa5 los valores son des$reciables siendo menores a ""33 de mil!metro# .l anc%o del cauce es de &3m5 ver fiura "3#'8# 0.000000 P0.000100P20 P10 P0.000200 P0.00000 P0.00000 D*(@(6-) D*(@(6) K6 K6 P0.000500 P0.000%00 P0.000H00 P0.000'00 P0.000&00 P0.001000

0

10

20

E / ( +-)( K6

Fiura "3#'8# Des$la,amientos verticales en el des$lante de la $resa @os contornos de los esfuer,os verticales se muestran en la fiura "3#'-5 la cara auas arriba tiene una concentración de esfuer,os como es de es$erarse en la base de la $resa debido al $eso $ro$io# @a cara auas aba6o concentra los esfuer,os en el tercio medio y se incrementan con la $rofundidad# .l corte trasversal de la cortina $ermite ver cómo var!an los esfuer,os en el interior de la cortina5 los esfuer,os se incrementan sinificativamente cerca del des$lante de la $resa#

: 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 102

: 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 102

: 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 102

: 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 102 : 102

: 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 102 : 103

a

b

: 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 102 : 103

c Fiura "3#'-# Contorno de esfuer,os verticales a auas arriba5 b auas aba6o y c corte transversal de la cortina B>nidades en +Pa

225


@os esfuer,os en la base de la $resa5 en el sentido del cauce se $resentan en la fiura "3#)3# @os esfuer,os 7ue se $resentan en la cara auas arriba son mayores en com$aración a los 7ue se encuentran auas aba6o# 3 1&3 1"0 1"3 10 1"33

3

0

"3

"0

&3

1&33 .sfuer,os BKPaC 1'33 1)33 1033 1233 .6e de la cortina BmC

Fiura "3#)3# .sfuer,os verticales en el des$lante de la $resa 6A.7.:.7 Factor de )eguridad .l c/lculo del Factor de seuridad local5 en cada $orción de la $resa5 FS l5 también se calculó em$leando el modelo numérico5 los contornos del FS en toda la $resa se muestran en la Fiura "'# .l Factor de Seuridad5 FS5 $ara la cortina de la $resa se obtiene como la relación de la ca$acidad entre la demanda5 e4$resada como = de5 # @as relaciones

= cap  = de5

= cap 

fueron obtenidas considerando la e4$resión "3#&

y "3#'5 res$ectivamente# = cap =c + σ oct tan 8

Bec# "3#&

Donde< σ > oct es el esfuer,o octaédrico efectivo5 definido como B σ > 1 + σ > 2 + σ > 3 '

Cy

8❑ son los $ar/metros de resistencia del modelo +o%r1Coulomb

√ (σ 1 −σ 2 ) +( σ 2 −σ 3 ) +( σ 3 −σ 1 ) 2

= act =

2

3

2

Bec# "3#'

.ste enfo7ue $ermite definir ,onas sobreestresadas dentro del cuer$o de la $resa y cimentación5 lo 7ue $uede llear a un estado de falla cuando las fuer,as actuantes $untuales son iuales o mayores 7ue la ca$acidad local# .sta metodolo!a re$resenta me6or la condición de falla inminente en el cuer$o de la $resa o su cimentación5 227


resultando me6or 7ue un FS lobal asociado a un modo de falla $rescrito debido a un mecanismo determinado5 como la 7ue se calcula a $artir del e7uilibrio limite o el método de reducción de la fuer,a5 SR+ [&3\5 7ue fue $ro$uesto inicialmente $ara el an/lisis de estabilidad de taludes en suelos# Aun7ue el SR+ se %a a$licado $ara evaluar la FS en $resas5 no ca$tura $osibles su$erficies de falla locales asociadas a las ,onas de debilidad en la $resa tales como la cresta de la $resa5 6untas entre ca$as5 y cimentación de la $resa5 7ue son una función de los $ar/metros reales de la resistencia del %ardfill5 mortero de lia5 o roca de cimentación5 y un con6unto de caras dado# @os contornos del FS calculados con esta metodolo!a se muestran en la fiura "3#)"#

a



c Fiura "3#)"# FS calculado con F@AC 'D en la cara auas arriba a auas arriba5 b auas aba6o y c corte transversal de la cortina Se observa 7ue los factores de seuridad son mayores de ' en todo el cuer$o de la $resa5 ante condiciones est/ticas de cara corres$ondientes a la eta$a )#

6A.7.@. RE)24E)( DI,<'IC( .l ambiente s!smico se caracteri,ó con tres es$ectros deterministas5 seleccionando dos de ellos $ara utili,arlos como es$ectros ob6etivos en el a6uste es$ectral# @a simulación considera las %istorias de aceleraciones sintéticas obtenidas con anterioridad5 corres$ondientes al S9 y el S+C# .stablecidas las e4citaciones se reali,aron los an/lisis din/micos# @os modelos de diferencias finitas em$leados $ara los an/lisis s!smicos del S9 y S+C tienen la misma eometr!a y caracter!sticas5 la e4citación 7ue se a$lica como una %istoria de aceleraciones en la base del modelo es la =nica diferencia# .l modelo $ara los casos din/micos se muestra en la fiura "3#)&# .l sismo se a$lica en la dirección 4 $ositiva5 a lo laro del e6e del cauce# @a $resa se des$lanta a los 3 m y tiene una altura 229


de '3m5 deba6o de la $resa se simularon '3m de roca# Adem/s de a(adir fronteras transmisoras de ener!a en el $er!metro del modelo5 el amortiuamiento 7ue utili,a el modelo es 0M#

E<-(-7) 36-( %06

F+)+( +()6-+( / )+93(

%06 1026 Fiura "3#)&# +odelo numérico de diferencias finitas $ara el an/lisis de interacción s!smica embalse1cortina1cimentación @os $untos de control 7ue se citan m/s adelante se muestran en la fiura "3#)'5 7ue es un corte transversal de la cortina de la $resa# @a fiura también $ermite observar la se$aración 7ue e4iste entre el modelo y las fronteras transmisoras de ener!a#

C

$4) / )+ F+)+( +()6-+( / )+93(

06

B 06 A E<-(-7) 36-( Fiura "3#)'# Corte transversal y $untos de control del modelo din/mico [email protected] Es&ectros de res&uesta (n#!isis de! )BO .n la fiura "3#)) se muestran los es$ectros de res$uesta $ara tres $untos en el modelo en color a,ul BA5 5 y C corres$ondientes a la .4citación5 3#33m y '3#33m de altura# Se observa la am$lificación de las aceleraciones es$ectrales del doble5 desde la e4citación %asta el des$lante de la $resa# @as aceleraciones es$ectrales en la corona se am$lificaron ) veces# 231

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE B..% DISEÑO DE $RESAS DE !ARDFILL ! "#03 Aceleración es$ec tral5 Sa BC %O' 3#33 m

"#33

%O3 #33m

.4c itac ión

3#03 3#33 3 3#& 3#) 3#2 3#8 " "#& "#) "#2 "#8 & Periodo5 T BsC

Fiura "3#))# .s$ectros de res$uesta al centro del modelo Adem/s de los tres $untos antes descritos también se obtuvieron resultados a diferentes alturas dentro en el e6e de la cortina5 los es$ectros de res$uesta se muestran en la Fiura "3#)0# .n donde se observa cómo se am$lifica la res$uesta del sistema con la altura# ! %O'3 #33 m

%O& 2#0 3m

Aceleración es$ec tral5 Sa BC

%O"8 #*0 m "#03

%O" 0#3 3m

%O" "#&0 m

"#33 3#03

%O*#0 3m

%O' #*0 m

%O3#3 3m

3#33 3#33

3#03

"#33

"#03

!

Periodo5 T BsC

Fiura "3#)0# .s$ectros de res$uesta en el centro del modelo [email protected] "istorias de ace!eraciones (n#!isis de! )BO @as %istorias de aceleraciones calculadas con el $rorama F@AC'D y 7ue corres$onden a cada uno de los es$ectros de las fiuras "3#)) y "3#)05 se muestran en las fiuras "3#)2 y "3#)* res$ectivamente#

233

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE B..% DISEÑO DE $RESAS DE !ARDFILL 3#2 3#) 3#&

Aceleración BC

3

%O'3#3 13#& 3m

%O3 #33 m

. 4c itac ión S9

13#) 13#2 3

&3

)3

23

83

"33

"&3

Tiem$o BsC

Fiura "3#)2# Aceleroramas en el centro del modelo 3#2 3#) 3#& %O'3 #33 m

Aceleración BC

%O& 2#0 3m

%O"8 #*0 m

%O" 0#3 3m

%O" "#&0 m

3 13#& 13#)

%O*#0 3m

%O' #*0 m

%O3#3 3m

13#2 3

&3

)3

23

83

"33

"&3

Tiem$o BsC

Fiura "3#)*# Aceleroramas en el centro del modelo Para com$render de manera m/s clara cómo aumentan las aceleraciones con la altura se raficaron las aceleraciones m/4imas del terreno5 a 35 a lo laro del centro eométrico de la $resa B:er Fiura "3#)8#

235

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE B..% DISEÑO DE $RESAS DE !ARDFILL a0 C 0.459 a0 C 0.382

a0 C 0.260

a0 C 0.230

a0 C 0.218

a0 C 0.194

a0 C 0.163

a0 C 0.135

Fiura "3#)8# Aceleraciones m/4imas a diferentes alturas5 en s @os des$la,amientos 7ue se $resentan en la base de la $resa se muestran en la fiura "3#)-# .l des$la,amiento m/4imo en la corona de la $resa es de menos de medio mil!metro5 y ocurre a los 23#*3s de %aber iniciado el sismo# .ste tiem$o corres$onde al instante en el 7ue la aceleración m/4ima del terreno se $resenta $ara el caso del S9# 0.000% 0.0005 0.000 0.000G 0.0002

D*(@(6-), 6

0.0001 0.0000 P0.0001 P%0

P0

P0.0002 P20 0

20

0

%0

A) / ( +)(, 6

Fiura "3#)-# Des$la,amientos en la corona @os des$la,amientos en el contacto entre el %ardfill y la roca de cimentación en el tiem$o en el 7ue se $resenta la a 35 se muestran en la fiura "3#03# Se observa 7ue los des$la,amientos son menores a una décima de mil!metro#

237

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE B..% DISEÑO DE $RESAS DE !ARDFILL G5 G0 25 20

A4+(, 6 15 10 5 0 0

0

0

0

0

0

0

0

D*(@(6-) )  )+ / 6/, 6

Fiura "3#03# Des$la,amientos de la cortina 6A.7.@.; Revisi%n de !os des&!azamientos - esuerzos &ermisi*!es (n#!isis de! )BO .l an/lisis din/mico involucra un cambio en el estado de esfuer,o durante el evento s!smico5 $ara este caso $articular se obtuvo 7ue la aceleración m/4ima se $resentó a los 23#8-s# Por lo 7ue solo se $resentaran los esfuer,os y des$la,amientos entre otros resultados5 corres$ondientes a este tiem$o# .n la fiura "3#0" se raficaron los contornos de des$la,amientos verticales en la cara auas arriba5 auas aba6o y en un corte transversal de la cortina# .n la cara auas arriba se observa una redistribución de los asentamientos5 aumentando en la corona# @a cara de auas aba6o también $resenta la misma tendencia5 con la e4ce$ción de 7ue los menores asentamientos se desv!an %acia la maren i,7uierda# .l corte trasversal tiene tres concentraciones de des$la,amientos5 7ue al iual 7ue en los casos anteriores disminuye#

239


a

b

c Fiura "3#0"# Contorno de des$la,amientos verticales din/micos a auas arriba5 b auas aba6o y c corte transversal de la cortina B>nidades en m @os contornos de los esfuer,os verticales se muestran en la fiura "3#0&5 la cara auas arriba tiene una concentración de esfuer,os como es de es$erarse en la base de la $resa debido al $eso $ro$io# @a cara de auas aba6o concentra los esfuer,os en el tercio inferior y se incrementan con la $rofundidad# .n el corte trasversal se observa como los esfuer,os se incrementan sinificativamente cerca del des$lante de la $resa#

241


: 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 102

: 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 102 : 102

: 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 102

: 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 102 : 103

a

b

: 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 102 : 103

: 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 102

c Fiura "3#0&# Contorno de esfuer,os verticales din/micos a auas arriba5 b auas aba6o y c corte transversal de la cortina B>nidades en +Pa 0 P20 P100

P15

P10

P5

0

5

10

15

20

P200

EQ4+@ KR$(L PG00 P00 P500 P%00

EO / ( +-)( K6L

Fiura "3#0'# sue'%os en la ase de la &'esa [email protected] Factor de )eguridad (n#!isis de! )BO Con el c/lculo de los factores de seuridad $ara las condiciones din/micas5 se observa 7ue son mayores a 0#3# .l FS m!nimo se $resenta en el contacto con la roca de cimentación5 en el cauce y a la mitad de ambas laderas5 Fiuras "3#0)5 "3#00 y "3#02#

243


Fiura "3#0)# S &'esa llena a"uas a''ia

Fiura "3#00# S &'esa llena a"uas aa/o

Fiura "3#02# S seccin t'anse'sal 6A.7.@.> Es&ectros de res&uesta (n#!isis de! )'C .n la fiura "3#0* se muestran los es$ectros de res$uesta res $uesta $ara tres $untos en el modelo5 se observa la am$lificación de las aceleraciones es$ectrales desde la e4citación %asta el des$lante es '#2 veces mayor# @as @as aceleraciones es$ectrales en la corona se am$lificaron 0 veces de la base de la cortina %asta la corona# 2.50 2.00 1.50

A+(-7) A +(-7) *+(, S( K9L G0.0 06

1.00 0 .00 6

E<-( -7 )

0.50 0.00 0

0 .5

1

1 .5

2

$+-/, T KL

Fiura "3#0*# .s$ectros de res$uesta en el centro del modelo Adem/s de los tres $untos antes descritos des critos también se obtuvieron resultados a diferentes $rofundidades en el e6e de la cortina5 los es$ectros de res$uesta se 245


muestran en la Fiura "3#08# .n donde se observa cómo se am$lifica la res$uesta del sistema con la altura# ! %O' 3 #3 3 m

%O& 2 #0 3 m "#03 %O" 8 #* 0 m

Aceleración es$ectral5 Sa B

%O" 0 #3 3 m

%O" " #& 0 m

"#33 3#03

%O* #0 3 m

%O' #* 0 m

%O3 #3 3 m

3#33 3 3#& 3#) 3#2 3#8 " "#& "#) "#2 "#8 & Periodo5 T Bs

Fiura "3#08 .s$ectros de res$uesta en el centro del modelo [email protected] "istorias de ace!eraciones (n#!isis de! )'C @as %istorias de aceleraciones corres$ondientes corres $ondientes se muestran en las fiuras "3#0- y "3#23 res$ectivamente# 3#* 3#0 3#' 3#" Aceleración BC 13#" %O' 3 #3 3 m

%O3 #3 3 m

. 4c ita c i ón S  9

13#' 13#0 13#* 3

&3

)3

23

83

"3 3

" &3

Tiem$o BsC

Fiura "3#0-# Aceleroramas en el centro del modelo

247

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE B..% DISEÑO DE $RESAS DE !ARDFILL 3#* 3#0 3#' %O' 3 #3 #3 3 m

%O& 2# 2#0 3m 3m

%O" 8 #* #* 0 m

3#"

%O" 0# 0#3 3m 3m

%O" "# "#& 0 m

Aceleración BC 13#" 13#' %O* #0 3 m

13#0

%O' #* 0 m

%O3 #3 3 m

13#* 3

&3

)3

23

83

"3 3

" &3

Tiem$o BsC

Fiura "3#23# Aceleroramas en el centro del modelo Para com$render de manera m/s clara cómo aumentan las aceleraciones con la altura se raficaron las aceleraciones m/4imas del terreno5 a 35 a lo laro del centro eométrico de la $resa B:er Fiura "3#2"## a0 C 0.654 a0 C 0.556

a0 C 0.366 a0 C 0.289 a0 C 0.256 a0 C 0.216 a0 C 0.182 a0 C 0.152

Fiura "3#2"# Aceleraciones m/4imas en el e6e de la $resa $res a en s @os des$la,amientos 7ue se $resentan en la corona y en las coordenadas del centro del modelo numérico de la $resa se muestran a continuación en las fiuras "3#2& y "3#2'# .l des$la,amiento m/4imo en la corona de la $resa es de menos de medio mil!metro y se $resenta a los 23#23s de %aber iniciado la e4citación# Siendo muy cercano al instante en el 7ue la aceleración m/4ima del terreno se s e $resenta $ara el caso del S+C5 S+C 5 la a3 es de 3#"0 y se $resenta a 23#02s#

249

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE B..% DISEÑO DE $RESAS DE !ARDFILL 3#3338 3#333* 3#3332 3#3330 3#333) 3#333'

Des$la,amiento BmC

3#333& 3#333" 3#3333 13#333" 13#333& 123

1)3

1&3

3

&3

)3

23

Anc%o de la corona BmC

Fiura "3#2&# Des$la,amientos en la corona @os des$la,amientos en la dirección 4 Ba lo laro del cauce 7ue $resentan en el centro de la $resa a$arecen unos seundos des$ués del caso de la corona5 el m/4imo des$la,amiento se $resenta 23#8&s5 los valores de des$la,amientos a lo laro se muestran en la fiura "3#2'# Se observa 7ue los des$la,amientos son menores a una décima de mil!metro# '0 '3 &0 &3 Altura BmC

"0 "3 0 3 3

3

3

3

3

3

3

Des$la,amiento en el ce ntro del modelo5 m

Fiura "3#2'# Des$la,amientos en la cortina 6A.7.@.: Revisi%n de !os des&!azamientos - esuerzos &ermisi*!es (n#!isis de! )'C .l an/lisis din/mico involucra un cambio en el estado de esfuer,o durante el evento s!smico5 $ara este caso $articular se obtuvo 7ue la a 3 se $resentó a los 23#02s# Por lo 251


7ue sólo se $resentar/n los esfuer,os y des$la,amientos entre otros resultados5 corres$ondientes a este tiem$o# .n la fiura "3#2) se rafican los contornos de des$la,amientos verticales en la cara auas arriba5 auas aba6o y en un corte transversal de la cortina# .n la cara auas arriba se observa una redistribución de los asentamientos# @a cara de auas aba6o también $resenta las mismas tendencias5 con la e4ce$ción de 7ue los menores asentamientos se desv!an %acia la maren i,7uierda#

a

b

c Fiura "3#2)# Contorno de des$la,amientos verticales din/micos a auas arriba5 b auas aba6o y c corte transversal de la cortina B>nidades en m @os contornos de los esfuer,os verticales se muestran en la fiura "3#205 la cara auas arriba tiene una concentración de esfuer,os como es de es$erarse en la base de la $resa debido al $eso $ro$io# @a cara de auas aba6o concentra los esfuer,os en el tercio inferior y se incrementan con la $rofundidad# .n el corte trasversal se observa cómo los esfuer,os se incrementan sinificativamente cerca del des$lante de la $resa5 un detalle de estos esfuer,os se muestra en la fiura "3#22#

253


: 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 102

: 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 102 : 102

: 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 102

: 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 102

: 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 102 : 103

a

b

: 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 101 : 102 : 103

c Fiura"3#20# Contorno de esfuer,os verticales din/micos a auas arriba5 b auas aba6o y c corte transversal de la cortina B>nidades en +Pa 3 1&3

1"0

1"3

10 3 1"33

0

"3

"0

&3

1&33 1'33 .sfuer,os BKPaC 1)33 1033 1233 1*33 .6e de la co rtina BmC

Fiura"3#22# Distribución de esfuer,os en el des$lante de la $resa 6A.7.@.@ Factor de )eguridad (n#!isis de! )'C Con base en el c/lculo de los factores de seuridad $ara las condiciones din/micas5 se observa 7ue son mayores a '# .l FS m!nimo se $resenta en el contacto con la roca de cimentación5 en el cauce y a la mitad de ambas laderas5 Fiuras "3#2*5 "3#28 y "3#2-#

255


Fiura "3#2*# S &'esa llena a"uas a''ia

Fiura "3#28# S &'esa llena a"uas aa/o

Fiura "3#2-# S seccin t'anse'sal

257


6A.7.@.? C#!cu!o de su*&resiones @a distribución de la sub$resión considerando la colocación de drenes a una distancia de "3m a $artir de la cara auas arriba5 se muestra en la Fi# "3#*3#

Fi# "3#*3# Presa de %ardfill con sistema de drena6e Baler!a Se considera la construcción de una aler!a filtrante a una distancia de "3m a $artir de la base de la cara de concreto auas arriba y una eficiencia de drena6e del *0M# @a altura H' B>SAC.5 "--05 resulta< h3= ' [ h −h 4 ]

(

( − x ) 

)+

h4

Donde< O "1. .O .ficiencia del drena6e Ben decimal ( =1−0.75 =0.25 h3= 0.25 ( 25 −0 )

(

( 34 −10 ) 34

)+ = 0

4.41 5

Con esta información y considerando el $eso del aua como ZO"333 Km' $odemos construir el diarama de sub$resiones en la base de la $resa como se muestra en la Fi# "3#*"#

259

MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES – CFE B..% DISEÑO DE $RESAS DE !ARDFILL P1HP15P1GP11 P& PH P5 PG P1 1 0

G

5

H

& 11 1 G 15 1H

50

100

S4=*+-7) KU$(L 150

200

250

EO / ( +-)( K6L

Fiura "3#*"# Sub$resión en Pa en la base de la cortina de la $resa# .n esta fiura el e6e Y corres$onde al e6e de la cortina de la $resa [email protected] C#!cu!o de su*&resiones con drenes Con el diarama de sub$resiones obtenido con las ecuaciones del a$artado "3##-5 se calcularon las sub$resiones en seis $untos de interés# .stos $untos coinciden con seis $untos 7ue conforman la malla del modelo numérico# Con esta información se calculó la tabla "3#"3# Tabla "3#"3# Distribución de esfuer,os en la base de la $resa5 considerando el S95 S+C y drenes# C) D+)

SBO

SMC

B(

S4=*+7)

EQ4+@ :+-(

EQ4+@ :+-( 6) S4=*+-7)

EQ4+@ :+-(

EQ4+@ :+-( 6) S4=*+-7)

6W

$AW

$AW

$AW

$AW

$AW

P 1.1% 5 P'.5 P 2.'5 2.'5

1& H5

1%.& 551.

222.& H%.

1%.& 551.

222.& H%.

H 2H

5H0.& 55.

5.& 52H.

5H0.& 55.

5.& 52%. 261


'.5 1.1% 5

1%.5

50'.2

&1.H

50%.2

'&.H

5.5

5H.1

51.%

55.1

&.%

@a distribución de esfuer,os en la base de la $resa considerando la sub$resión se muestran de manera r/fica en las fiuras "3#*& $ara el caso S9 B.ta$a 0 y la fiura "3#*' $ara el S+C B.ta$a 2 %00.0 500.0 00.0 00.0 EQ4+@ Q-: K$( E(*( 5 K-) 4=*+-7) 200.0

E(*( 5 K) 4=*+-7)

100.0 0.0 P20 P15 P10 P5

0

5

10 15 20

E / ( +-)( K6

Fiura "3#*&# .sfuer,os en la base de la $resa5 considerando el S9 y la $resencia de drenes# %00.0 500.0 00.0 00.0 EQ4+@ Q-: K$( E(*( % K-) 4=*+-7) 200.0

E(*( % K) 4=*+-7)

100.0 0.0 P20 P15 P10 P5

0

5

10 15 20

E / ( +-)( K6

Fiura "3#*'# .sfuer,os en la base de la $resa5 considerando el S+C y la $resencia de drenes# 263


Anteriormente se calcularon las sub$resiones con el método anal!tico5 la com$aración de los esfuer,os calculados en el ca$!tulo anterior y con el método numérico se muestran en las fiuras "3#*)# y "3#*0# Se observa 7ue los calculados anal!ticamente son mayores a los resultados obtenidos de la simulación5 esto debido a la fle4ibilidad de la roca de cimentación de la $resa5 7ue enera una redistribución de esfuer,os# .n ambos casos no se $resentan tensiones en la base de la $resa# -33 833 *33 233 . ta$a 0 Bs in s ub$res iónC

.ta$a 0 Bc on s ub$res iónC

033

.sfuer,os efectivos BFPaC

)33 '33 &33

.ta$a 0 BAnal!ticoC"33

3 1&3 1"0 1"3

10

3

0

"3

"0

&3

.6e de la cortina BmC

Fiura "3#*)# Com$aración de los esfuer,os en la base de la $resa5 considerando el S9 y la $resencia de drenes# -33 833 *33 233 . ta$a 2 Bs in s ub$res iónC

.ta$a 2 Bc on s ub$res iónC

033

.sfuer,os efectivos BFPaC

)33 '33 &33

.ta$a 2 BAnal!ticoC"33

3 1&3 1"0 1"3

10

3

0

"3

"0

&3

.6e de la cortina BmC

Fiura "3#*0# Com$aración de los esfuer,os en la base de la $resa5 considerando el S+C y la $resencia de drenes# [email protected] Revisi%n de !os esuerzos en !a cimentaci%n Com$arando los esfuer,os verticales en la base de la $resa5 con tres escenarios de resistencia de la roca de cimentación# Se observó 7ue la resistencia de la roca es 265


menor 7ue la actuante $ara el escenario uno y dos BTabla "3#""# @os FS calculados numéricamente se muestran en las fiuras "3#*25 "3#*2 y "3#*85 corres$ondientes a cada uno de los tres escenarios considerados en la Tabla "3#""# Se des$reció la com$onente friccionante de la resistencia de la roca5 considerando el ba6o nivel de deformaciones calculado# .n todos los casos5 los factores de seuridad son mayores 7ue " en el contacto cortina cimentación5 $ara las eta$as 0 y 2 7ue involucran caras s!smicas# @os valores ba6os de factores de seuridad en la base del modelo Bmenores a " son es$urios5 y enerados $or las condiciones de frontera# Tabla "3#""# .sfuer,os en la base de la $resa C ϕ E)(+ $( X 1 50 0.0 2 500 0.0  1000 0.0

a



Fiura "3#*2# .sfuer,os en la roca de cimentación escenario "5 a S9 b S+C

a



Fiura "3#**# .sfuer,os en la roca de cimentación escenario &5 a S9 b S+C 267


a



Fiura "3#*8# .sfuer,os en la roca de cimentación escenario '5 a S9 b S+C [email protected]; Revisi%n de !os esuerzos en cada eta&a constructiva Conociendo las fuer,as actuantes y resistentes se calculó el Factor de Seuridad5 FS5 en cada ca$a BFiura "3#*-5 el resultado muestra 7ue la ca$a uno es la 7ue tiene el menor FS $ara la eta$a 0 y 2 de c/lculo BCara sostenida  sismo5 S9 y S+C5 $ero siue siendo mayor 7ue la unidad5 y ace$table $ara cara s!smica# Tablas "3#"& y "3#"' res$ectivamente# Se asumió 7ue la resistencia en la interca$a es iual a la del %ardfill# a&a 8 a&a 7 one:in ent'e ca&as

a&a 6 a&a 5 a&a 4

sue'%os a: a&a 3 a&a 2 a&a 1

Fiura "3#*-# Puntos de control de los esfuer,os entre ca$as Tabla "3#"&# Factores de seuridad en las interca$as $ara el S9

C(*( 1 2   5 % H

%&

'

%oct

$( P''.' P5%2.1 PHH.H P&. P0&.0 P22.% P11.

$( 1525. 12'.1 11'. 10%.1 &2.2 '25.1 H1.'

$( 10&.& 5'.2 2%.5 251.1 112.2 H&.' %'.1

#"

1. 2.1 2.H .1 '. 10. 10.5 269


'

PHH.%

5'0.0

%1.&

&.

Tabla "3#"'# Factores de seuridad en las interca$as $ara el S+C

C(*( 1 2   5 % H '

%&

'

%oct

$( P'1.H P5%2.1 PHH.H P&. P0&.0 P22.% P11. P'0.0

$( 1525. 12'.1 11'. 10%.1 &2.2 '25.1 H1.' 5'0.0

$( 10'H.H 5&.2 %.& 2%1.1 121.0 '0.0 H2. %.0

#"

1. 2.1 2.% .0 H.H 10. &.& &.2

271

CO,E,IDO GE,ER($ DE$ '(,4($ )ecci%n de "idrotecniaJ Geotecnia - Estructuras

Tema 6

Ca$!tulo " & ' ) 0 2

)ECCI/, (  "IDROEC,I( Descri$ción "idro!ogía Consideraciones enerales de %idrolo!a Preci$itación .scurrimiento Pérdidas Relación entre $reci$itación y escurrimiento An/lisis estad!stico 273

* 8 "3 "" "& "'

Tormentas de dise(o Avenidas de dise(o Tr/nsito de avenidas y simulación del funcionamiento de vasos de almacenamiento Pronóstico de avenidas Geo%idrolo!a Sistemas de información eor/fica5 con a$licación en %idrolo!a e %idr/ulica Hidrolo!a e %idr/ulica en cuencas $e7ue(as "idr#u!ica Consideraciones enerales de %idr/ulica Planeación de sistemas de a$rovec%amiento %idroeléctrico .valuación del im$acto ambiental $ara la e6ecución de $royectos %idroeléctricos Conducciones a $resión 9bra de toma $ara $lantas %idroeléctricas 9bra de toma y sistemas de enfriamiento $ara $lantas termoeléctricas +/7uinas %idr/ulicas Transitorios %idr/ulicos en conductos a $resión Turbinas y an/lisis din/mico .scurrimiento a su$erficie libre Tr/nsito %idrolóico e %idr/ulico5 en cauces 9bra de desv!o 9bra de e4cedencias Dise(o de aireadores en estructuras vertedoras Hidr/ulica fluvial Sedimentación en embalses y desarenadores 9bras mar!timas Terminales mar!timas $ara recibo y mane6o de combustibles Interacción mar 1 tierra Draado Instrumentación %idr/ulica Técnicas e4$erimentales de %idr/ulica +étodos numéricos de %idr/ulica An/lisis de rieso y confiabilidad en %idrolo!a .valuación de la seuridad %idr/ulica de las estructuras Re%abilitación %idr/ulica de las estructuras

7 " & ' ) 0 2 * 8 "3 "" "& "' ") "0 "2 "* "8 "&3 &" && &' &) &0 &2

Tema 6

Ca$!tulo " & ' )

7 " & ' )

)ECCI/, B  GEOEC,I( Descri$ción Geo!ogía Información eolóica e4istente 9btención y an/lisis de información eolóica Presentación de información eolóica# .studios de $eliro s!smico 'ec#nica de )ue!os Clasificación y caracteri,ación de los de$ósitos de suelos Pruebas de laboratorio $ara determinar las $ro$iedades de los suelos y enrocamientos Pruebas de cam$o $ara determinar $ro$iedades de los suelos y enrocamientos Com$ortamiento de suelos $arcialmente saturados y a$licaciones 275

0 2 * 8 ; " & ' ) 0 2 * 8 0 " & ' ) 0 2 > " & ' 5 " & : " & ' ) 0 @ " &

Cimentaciones en suelos .structuras de retención .stabilidad de taludes en suelos5 e4cavaciones y laderas +e6oramiento de suelos Flu6o de aua en suelos 'ec#nica de rocas Pruebas de laboratorio de mec/nica de rocas Pruebas de cam$o de mec/nica de rocas Caracteri,ación de maci,os rocosos Cimentaciones en rocas .stabilidad y tratamientos de taludes rocosos Inyecciones en maci,os rocosos +étodos de e4cavación en maci,os rocosos Caracteri,ación de eomateriales frontera Diseo de 2resas Consideraciones enerales de $resas Presas de enrocamiento con n=cleo de arcilla Presas de enrocamiento con cara de concreto Presas de enrocamiento con n=cleo de asfalto Presas de 6ales Presas de >ard Fill Tne!es - !um*reras T=neles y lumbreras en suelos T=neles y lumbreras en rocas Cavernas $ara casa de m/7uinas Contro! de ca!idad Control estad!stico eotécnico de la construcción An/lisis de rieso y confiabilidad eotécnica Instrumentaci%n Consideraciones enerales de instrumentación eotécnica Instrumentación eotécnica Instrumentación estructural .valuación de la seuridad eotécnica de las estructuras Re%abilitación eotécnica de las estructuras (&!icaciones genera!es Criterios $ara la e4$loración y $ruebas de cam$o y laboratorio en eotecnia Criterios $ara el em$leo de métodos numéricos en la eotecnia

277

MDOC B 4 6 26-09-2016_LARS.docx

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