Presas de materiales sueltos

Presa de escollera

¿Qué son las presas de materiales sueltos?

Las presas de materiales sueltos son aquellas que se construyen con materiales naturales (tierras, gravas, escolleras, etc.) que no tienen cohesión alguna o la tienen relativamente reducida y en cualquier caso muy inferior a la artificial conseguida con aglomerantes. Para su construcción se suele utilizar, en la medida de lo posible, el material disponible en las proximidades de la futura infraestructura. Dicho material se distribuye en la sección de la presa en función de sus características.

Este material se utiliza tal y como lo encontramos en el campo, sin más procesamiento que el apisonado o la adición de agua para una adecuada compactación.

Puede haber un material que haga la función de impermeabilización y otro que tenga un papel resistente, pero también encontramos presas en las que el mismo material posee ambas características. Estas últimas se conocen como presas homogéneas.

Criterios de selección de una presa de materiales sueltos

Los factores físicos que gobiernan la elección del tipo de presa son muy variados, por lo que en cualquier proyecto debería realizarse un análisis pormenorizado de la situación. Si bien, pueden citarse las principales ventajas e inconvenientes de esta tipología de represa.

Ventajas

Cimentación fácil

Al estar constituidas con terreno natural, sin cohesión, este tipo de presas tiene la ventaja de que se adaptan bien a suelos con baja capacidad portante, sin que los posibles asientos les afecten de manera notable. Por esta razón suelen emplearse, frente a las presas de hormigón, en zonas donde no hay un cimiento de calidad.

Economía del material

Se suelen construir con materiales disponibles en las proximidades de la estructura, por lo que resulta mucho más económica que el cemento en la mayoría de los casos. De cualquier modo, esto también puede suponer un condicionante, ya que podrían no existir materiales adecuados en una zona cercana.

También cabe señalar que, a pesar de lo anterior, como norma general estas presas tienen un volumen superior al de las presas de hormigón, por lo que habrá que estudiar el coste total en cada caso.

Integración ambiental

Al construirse con tierra, o con roca, este tipo de presas se integran de forma muy natural en el paisaje. En ocasiones se confunden con el terreno original e incluso admiten la presencia de vegetación en sus paramentos.

Inconvenientes

Mayor volumen

Debido a las características del material admiten unos taludes inferiores a los de las presas de hormigón, por lo que suelen tener un volumen superior.

Imposibilidad de vertido por coronación

Tienen un importante defecto en su función hidráulica, ya que al verter el agua sobre ellas, arrastra con facilidad esos materiales y puede llegar hasta provocar su destrucción, es por ello que al contrario que en las presas de fábrica, en las de materiales sueltos no se dispone el aliviadero sobre el propio cuerpo de presa, sino que se sitúa a un margen, para así evitar filtraciones u otras afecciones.

De igual forma, tampoco se permite que los desagües atraviesen el cuerpo de presa, por lo que suelen ejecutarse por una de las márgenes generalmente aprovechando el túnel de desvío que se realiza durante la construcción.

Disponibilidad del material

La ausencia de material adecuado disponible en las proximidades del emplazamiento puede suponer un requisito importante que nos lleve a descartar esta tipología.

Partes de una presa de materiales sueltos

Sección de presa de materiales sueltos — Sección tipo de una presa de materiales sueltos con núcleo de arcilla

Como elementos funcionales que componen esta obra civil podemos mencionar:

Coronación

Es la superficie que delimita la presa superiormente

Núcleo

Se trata de la parte central del cuerpo de presa, constituido por los elementos más finos e impermeables, conformados generalmente por limos y arcillas, teniendo una geometría ligeramente vertical o inclinada, así como poder estar centrada o desplazada aguas arriba o abajo respecto del eje central de la presa.

Espaldones

Sólo las tienen las presas de materiales heterogéneos. Es una parte del cuerpo de presa que se diferencia del núcleo, siendo el volumen más exterior de la presa, tanto aguas arriba como aguas abajo. Están constituidos por los materiales más permeables, pero también más pesados y resistentes.

Estribos

Son los laterales de la presa, que se encuentran en contacto con la cerrada en la que se apoyan.

Cimentación

Es la parte de la estructura a través de la que se transmiten las cargas al terreno, tanto las producidas por la presión hidrostática como las del peso propio de la estructura.

Aliviadero

Es la estructura hidráulica por la que rebosa el agua que excede la capacidad del embalse. En presas de materiales sueltos no puede situarse sobre el propio cuerpo de presa, sino que suele colocarse en una estructura de hormigón independiente, ya sea lateral o junto al propio cuerpo de presa.

Desagüe de fondo

Son conductos que permiten realizar desembalses aunque la presa no esté llena, ya sea por la previsión de avenidas, para cumplir con el caudal ecológico aguas abajo, o para vaciar el embalse en caso de ser necesario. En el caso concreto de las presas de materiales sueltos no pueden atravesar el cuerpo de la estructura, por lo que suelen disponerse por uno de los márgenes, generalmente aprovechando las conducciones de derivación del río que se realizan con objeto de secar el cauce donde se están desarrollando las obras.

Desagües de fondo en Presa Heterogénea — Desagüe de fondo en la presa de Zufre (Huelva)

Torre de toma

Son estructuras hidráulicas utilizadas para extraer agua de la presa para su uso. Son torres que suelen situarse en el agua y cerca del dique y que poseen orificios a diferentes niveles, cada uno con su correspondiente compuerta o válvula de paso para cortar o abrir la entrada de agua.

Compuertas

Son equipos hidromecánicos que permiten regular el caudal de agua que se desembalsa. Podemos encontrarlas tanto en el aliviadero como en los desagües.

Filtros y drenes

A partir de los 6 u 8 metros de altura resulta conveniente que las presas de tierra tengan drenaje para controlar la línea de saturación y los efectos de las filtraciones.

Drenes: se trata de una parte de la sección de la represa que está compuesta por un material de alta permeabilidad para que las filtraciones confluyan en esa zona y se canalicen, de forma que no se formen presiones intersticiales descontroladas en el cuerpo de presa.
Filtros: Se dispone entre un dren y el material de la presa. Su misión es la de permitir el paso de agua impidiendo al mismo tiempo el de las partículas finas que pudieran ser arrastradas por ella. Por ello se compone de un material con un tamaño de grano que deje unos huecos suficientemente pequeños para no dejar pasar los finos. En las presas heterogéneas también se disponen filtros entre el núcleo y los espaldones.

Como se puede intuir, la presencia de un dren siempre va a ir acompañada del correspondiente filtro, pues el efecto drenante supone una afluencia de agua filtrada hacia el dren, y un incremento del gradiente de filtración, lo que lleva a una posibilidad de arrastre de finos que podrían colmatar el dren.

Pantallas

Se trata de pantallas de mezcla bituminosa o de hormigón armado que se sitúan en el interior de la presa o en el paramento de aguas arriba para impedir la filtración del agua.

En ocasiones se apoyan en la cimentación mediante un elemento de transición llamado plinto.

Presa de materiales sueltos con pantalla asfáltica — Presa de Huesna (Sevilla), de materiales sueltos con pantalla asfáltica

Tipos y clasificación de las presas de materiales sueltos

Como se ha comentado, este tipo de presas están constituidas de tierras o de piedras que generalmente se encuentran en las proximidades de la obra. De cualquier modo, dependiendo de las características de los materiales y su disposición podemos clasificarlas como:

Presas homogéneas

Se trata de presas construidas con un material uniforme que realiza las funciones de resistencia e impermeabilización al mismo tiempo.

Suelen ejecutarse sobre todo en lugares donde predomina un material fácil de emplear y económico, y sobre todo si se trata de presas de altura baja o moderada, ya que pueden resultar inestables para alturas superiores a los 15 m. Se trata de presas muy económicas, y funcionan bien si las tensiones son moderadas.

En cuanto a las características físicas del material empleado, se utilizan tierras permeables o semi-impermeables, aunque se han realizado con éxito diques con arenas permeables y mezclas de arena-grava, ya que en algunos casos se puede aceptar cierta filtración siempre que no afecte a la estabilidad.

El principal inconveniente de este tipo de presas lo encontramos en las presiones intersticiales causadas por el agua en su interior. Al salir las líneas de corriente al paramento aguas abajo, pueden dar lugar a la salida de material fino, originando asientos. Por ello lo ideal es bajar rápidamente la línea de saturación para que haya aguas abajo una zona casi sin presiones intersticiales con un peso estabilizador que impida el arrastre de las partículas superficiales.

Si se trata de presas homogéneas de grano fino, los taludes han de ser tanto más suaves cuanto mayor es su altura debido a que la estabilidad depende del ángulo de rozamiento interno y de la cohesión. Esto se debe a que al aumentar su altura las cargas aumentan con una ley más o menos cuadrática, y lo mismo ocurre con la componente estabilizadora debida al rozamiento, que va a ser proporcional a la sección. Por el contrario, la cohesión varía con la longitud de la línea de deslizamiento pésimo, que aumenta con la altura solo linealmente. La consecuencia es que la cohesión influye más cuanto más baja sea la presa, por lo que las presas bajas pueden tener taludes más fuertes que las altas.

Presas de materiales heterogéneos

Están formadas por materiales diferentes, agrupados adecuadamente en distintas zonas de la presa. Alguna de estas zonas debe ser impermeable y suele estar constituida por tierras o por una mezcla asfáltica. Los materiales son más permeables y resistentes a medida que nos alejamos del núcleo de la presa.

Son las más frecuentes. Emplean de forma óptima los materiales próximos disponibles. Los más permeables se utilizan como estabilizadores y los más finos como núcleo impermeable. El resto cumple las funciones de drenaje y filtro.

Las presas de materiales sueltos heterogéneas pueden ser “de tierra” o “de escollera”, aunque entre ellas hay una amplia gama de tipologías intermedias.

En estas represas se trata de realizar el mejor aprovechamiento posible de los materiales. Los más impermeables van al núcleo, los más gruesos se utilizan para proteger los paramentos, o al pie de los espaldones como drenes, y otros van a los filtros e incluso los más heterogéneos se utilizan para dar un peso estabilizador en los espaldones. Un material muy utilizado en los espaldones es el todo uno, es decir, gravas del río o de depósitos de terrazas aluviales con una granulometría muy variada.

La impermeabilización se consigue mediante el material del núcleo, que suele estar contruido con arcilla, limos o mezcla incluso con elementos más gruesos, pero debe haber suficientes finos para conseguir una permeabilidad adecuada. El núcleo puede ser vertical o inclinado y divide la presa en los dos espaldones: el de aguas arriba y el de aguas abajo.

Normalmente el espaldón de aguas abajo es más permeable, de forma que provoca una caída importante de la presión intersticial que favorece la estabilidad. De cualquier forma, como hay que ajustarse al material existente en la zona, se suele disponer un dren, que puede ser horizontal o profundo, vertical o inclinado, con el objetivo de reducir las presiones de agua existentes.

En estas presas se admiten taludes mayores que en las homogéneas, debido principalmente a:

El drenaje, que ayuda a reducir la presión intersticial.
Se pueden organizar los materiales de manera que los más resistentes los encontramos donde los esfuerzos cortantes son mayores.

Presa con pantalla de piedra

Presas con pantalla o diafragma

Son aquellas en que la función de detener el paso del agua la realiza una lámina que puede ser de hormigón, asfáltica, de materiales plásticos, etc. Según su ubicación distinguimos entre:

Presas de pantalla impermeable: donde la capa impermeabilizadora se coloca en el paramento de aguas arriba.
Presas de diafragma interior: con la pantalla situada en el centro del cuerpo de presa.

Estas presas resisten siempre por gravedad, ya que tienen muy poca cohesión como para resistir esfuerzos tangenciales. Por tanto, sus taludes son bastante tendidos, del orden de 1,5 a 2,0 en escolleras y 2,5 a 5,0 en tierras. En el caso de presas de escollera con pantalla aguas arriba y cimiento estables, se proyectan con el criterio de que el talud agua arriba sea el de equilibrio del material, que varía entre 1:7 y 1:2, dependiendo de si la grava es redondeada o angulosa.

En cuanto al material del cuerpo, estas presas suelen ejecutarse en escollera, aunque hay algunas de tierras. La escollera debe ser estable, para lo que puede ser vertida, apisonada o vibrada. También puede que se realice colocando los trozos de piedra desde el principio en posiciones estables, lo que se conoce como mampostería en seco. Por su parte, la escollera arreglada es la que se ha colocado de forma desordenada pero los bloques se han manipulado con palancas o grúas para llevarlos a posiciones estables.

En cuanto a la pantalla, esta puede ser de hormigón armado o de mezcla bituminosa y realiza la función de impermeabilidad. Pueden estar colocadas en varias posiciones, aunque la colocación como diafragma interior apenas se utiliza, al no poder revisarse para llevar a cabo labores de mantenimiento. Por tanto, actualmente la mayoría de pantallas se sitúan en el paramento de aguas arriba.

Teóricamente parece algo perfecto: material natural y económico, impermeabilización en el paramento de aguas arriba que permite reducir al máximo las tensiones provocadas por el agua y se puede utilizar material resistente en todo el cuerpo de presa.

En cuanto a las pantallas de hormigón armado, aunque se utilizan presentan algunos inconvenientes debido a la posible fisura o rotura del material. Por ello actualmente se suelen emplear sobre todo los materiales bituminosos, debido a su mayor flexibilidad y su menor coste.

Presas de relleno hidráulico

Este tipo de presas no es muy común. Se trata de presas donde el material se extrae mediante dragado en el lugar apropiado y se transporta a la presa mediante suspensión por medio de tuberías. El relleno se forma por sedimentación, que se regula de forma conveniente para conseguir las características necesarias. A veces sólo se ejecuta de esta forma una parte de la presa en particular: una zona permeable con terrenos arenosos, por lo que se trataría de una presa mixta.

Otras veces se utiliza este método solo para rellenar los huecos de un dique de escollera, con el objeto de aumentar su densidad y proteger la roca frente a la meteorización.

Presas de enrocamiento con cara de hormigón

Son un caso particular que en ocasiones se clasifica como presa de materiales sueltos, pero su forma de ejecución y funcionamiento estructural son diferentes. El elemento impermeable lo compone una cortina formada con fragmentos de roca de diferentes tamaños que soportan, en el lado del embalse, una cara de hormigón, que es la que funciona como elemento impermeable.

Materiales en presas de materiales sueltos

Los materiales más utilizados en este tipo de presas son piedras, gravas, arenas, limos y arcillas, aunque dentro de todos estos los que más destacan son las piedras y las gravas. También deben contar con un material impermeable, que puede ser arcilla (que siempre se ubica en el corazón de la estructura), o bien una pantalla de hormigón o asfáltica, que también puede situarse en el paramento de aguas arriba.

En cuanto a las prescripciones que deben cumplir los materiales, hay que atenerse a lo dispuesto por la Instrucción para el proyecto, construcción y explotación de grandes presas, pero como normas generales podemos mencionar:

Tierras

Los materiales deberán someterse a los ensayos oportunos para definir sus características sin que ello implique prescripción ni limitación: granulometría, límites de Atterberg, peso específico de las partículas, humedad natural en cantera, densidad aparente en cantera, ensayo Proctor de compactación, grado de saturación en condiciones Proctor, permeabilidad, compresibilidad, entumecimiento, resistencia al esfuerzo cortante, variación de la presión intersticial con las tensiones, contenido en materia orgánica, sales solubles, sulfatos, carbonatos y análisis mineralógico.
No deberán emplearse tierras que contengan proporciones apreciables de materia orgánica o de sales solubles.

Escollera

El material grueso utilizado deberá tener resistencia mecánica a la acción del agua y de los agentes atmosféricos.
Se efectuaran los ensayos necesarios para garantizar las características citadas en el punto anterior. Entre estos ensayos podemos citar: análisis petrográficos y químico, peso específico real y aparente, absorción de agua, granulometría, resistencia a la compresión, coeficiente de desgaste de Los Ángeles, friabilidad, proporción de partículas blandas, proporción de terrenos de arcilla y durabilidad. Estos ensayos pueden realizarse en pedraplenes experimentales con condiciones similares a las de la obra, pero también pueden realizarse algunos de ellos en laboratorio.

Construcción de presas de materiales sueltos

Sin profundizar demasiado en la ejecución de presas de materiales sueltos, habría que destacar algunas consideraciones, sobre su proceso constructivo:

Lo primero que se debe hacer, una vez que se ha seleccionado la cerrada adecuada, es disponer de una zona seca para ejecutar la presa (recordemos que las presas se construyen sobre el cauce de un río). Para ello el primer paso es construir un túnel de desvío del río que nace aguas arriba de la presa y finaliza aguas abajo. Después se hace necesario construir una ataguía, una pequeña presa que permita elevar el nivel del agua en la zona de entrada al túnel de desvío, y que no deje pasar agua a la zona donde se ejecutará la estructura. La ataguía se construye en presencia de agua en el río, por lo que se tienen que buscar las mejores condiciones posibles.
Una vez que el terreno está seco debe procederse a su preparación. Para ello se realiza una limpieza y escarificación y se somete el terreno a los procedimientos necesarios para garantizar su resistencia e impermeabilidad.
Una vez hecho esto se comienza la construcción de la presa como tal. Las presas se ejecutan en tongadas, es decir, capas de material de diferente espesor. Estas deberán ser adecuadamente compactadas y se debe asegurar su impermeabilidad. En este caso debemos tener en cuenta:

El espesor máximo de cada tongada o capa dependerá del material empleado y los medios que se vayan a utilizar para la compactación.
La compactación se realiza con rodillos vibradores u otros medios adecuados a la calidad de las tierras, debiendo hacer ensayos previos para comprobar que el medio elegido resulta eficaz.
El grado de compactación y humedad que se han alcanzado se deberán comprobar in situ mediante la determinación de la densidad del terraplén.
Si se coloca una pantalla de hormigón como elemento impermeable, deberá ejecutarse lo más tarde posible, para que haya plazo suficiente para que la presa asiente y no existan problemas de rotura o fisura de la pantalla.