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Algunos criterios a considerar en el diseño de presas de relleno-cementado con cara de concreto

Some criteria to be considered in the design and construction of hardfill dams



Dr. Juan Manuel MAYORAL Villa 1, Dr. Miguel Pedro Romo Organista1,Dr. Humberto Marengo Mogollón 2,
M. en I. Amós Francisco Díaz Barriga 3, Ing. José Manuel Ruiz Galindo 4, M. en I. Grissel Hurtado López 4,
Ing. Damián Vital Villaseñor. 4


1 Investigador Instituto de Ingeniería de la UNAM, Distrito Federal, México.

2 Subdirector de Proyectos y Construcción de la CFE, Distrito Federal, México.

3 Jefe de Proyecto de la CFE, Distrito Federal, México.

4 Instituto de Ingeniería de la UNAM, Distrito Federal, México.

RESUMEN: Las presas de relleno-cementado (Hardfill) son construidas con materiales obtenidos del lecho del río, o del producto de la misma excavación, aglutinados artificialmente con un cementante. En los últimos años las presas de relleno-cementado han tenido un auge a nivel mundial en gran parte debido a su bajo costo, sencilla construcción, y buen comportamiento ante carga sostenida y sísmica. Usualmente se diseñan con una sección simétrica trapecial, de esta forma las cargas transmitidas al terreno de cimentación se reducen en comparación con las típicamente observadas en presas de concreto, lo que hace posible que se puedan construir en terrenos con requerimientos de alta resistencia y baja deformabilidad menores a los comúnmente considerados para otros tipos de presas. Así, las presas de relleno-cementado se consideran una alternativa económica y segura en sitios con malas condiciones geológicas. En este artículo se presenta un estado del arte que incluye las características generales de las presas de relleno-cementado, los tipos de materiales empleados, los aspectos de diseño, la relación esfuerzo-deformación usualmente considerada en simulaciones numéricas que mejor describen el comportamiento del material, estudios numéricos sobre el comportamiento estático y sísmico, y consideraciones constructivas y ambientales.

ABSTRACT: Hardfill dams are built mostly by soil aggregates, such as sand and gravel, obtained from the riverbed or the same construction excavation products artificially cemented together. In recent years, the use of hardfill dams have increased worldwide due in part to its low cost, simplicity of construction, and a good static and seismic behavior. They are typically designed with a symmetrical trapezoidal shape. Therefore, the loads transmitted to the foundation ground are reduced in comparison with those typically seen in concrete dams, reducing the ground foundation high strength and low deformability requirements considered for other dam types. Thus, hardfill dams are considered an economical and safe alternative to be used in sites with poor geological conditions. This paper presents a state of the art that includes the general features observed in hardfill dams, material properties, design aspects, the typical strength –stress relationship usually considered in numerical simulations that best described the material behavior, numerical studies about the dam response to both sustained and earthquake loading, and construction and environmental considerations.

  1. INTRODUCCIÓN


Las presas de relleno-cementado con cara de concreto (i.e. Hardfill) se construyen agregando un aglutinante y agua a los materiales encontrados en el lecho del río o sus alrededores (Raphael, 1976). Estas presas se construyen generalmente con secciones simétricas, a las que se les habilita con una cara impermeable en el talud aguas arriba. Presentan alturas que varían entre 3 y 107 m (eg. Cai et al., 2012; Mason et al., 2008; 2003; Fujisawa et al., 2012; Guillemot et al., 2012; Xiao et al., 2008), tradicionalmente se les ha catalogado dentro de las presas pequeñas a medianas (eg. Cai et al., 2012; Guillemot et al., 2012). En particular, la presa más alta de relleno-cementado construida hasta el momento, reportada en la literatura técnica internacional, es la presa Cindere de 107 m de altura y 84,300,000 m3 de capacidad en Turquía, diseñada como una presa de relleno-cementado (eg. Batmaz 2003, Guillemot et. al 2012). Por lo general la sección de estas presas es trapecial, dicha geometría minimiza los esfuerzos dentro del cuerpo de la presa y reduce sus oscilaciones durante un evento símico (eg. Xiong et al., 2013).

Las principales ventajas de una presa de este tipo son: construcción simple y rápida ya que la demanda de resistencia sobre el terreno de cimentación es relativamente menor a la requerida en otros tipos de presas (eg. Xiong et al., 2013), tales como las de gravedad de sección típica. Asimismo, las especificaciones de los agregados y del cementante son menos rigurosas, lo cual se traduce en una reducción del costo de producción del relleno-cementado. Debido a que su diseño involucra la optimización de su geometría, por lo general exhiben un buen comportamiento ante carga sostenida y sísmica (eg. Cai et al., 2011; Fujisawa et al., 2012). El comportamiento mecánico del relleno-cementado está gobernado principalmente por dos variables: 1) la fricción entre las partículas de agregados, y 2) la conexión entre las partículas debida al cementante.


  1. CARACTERÍSTICAS DE LAS PRESAS DE relleno-cementado


Los agregados de la presa de relleno-cementado son la grava y arena obtenidas del cauce del río o de excavaciones cercanas al sitio de la presa, unidas con un aglutínate, como el cemento (Cai et al., 2012). El perfil típico de este tipo de presas se muestra en la Figura 1 donde se puede observar su geometría simétrica trapecial.


Figura 1. Perfil típico de una presa de relleno-cementado.

Por lo general la forma del cuerpo de la presa es intermedia entre la presa de gravedad y la presa de enrocamiento con cara de concreto como se aprecia en la Figura 2.

La determinación de la pendiente de los taludes de la presa se obtiene tomando en cuenta variables como las condiciones de cimentación, la altura de la presa, el rendimiento del material de relleno, entre otros. La utilización de los materiales locales permite minimizar la destrucción de la vegetación de los sitios aledaños al proyecto. Por este motivo, la presa se ha denominado como “cero emisiones” (eg. Cai et. al., 2012), y ha sido reconocida como un tipo de estructura hidra|ulica amigable con el ambiente. (eg. Xiong et al., 2008; Guillemot et al., 2012; boletines ICOLD 117 y 126, Mason et al., 2008; Omran et al., 2010).


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