EXPERIENCIA ARGENTINA EN EL DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PRESAS CFRD Oscar Elpidio NAVARRO Obras Hidráulicas y Presas de Embalse, HISSA ARGENTINA

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INTRODUCCIÓN

Como es de conocimiento generalizado, la utilización de presas de materiales sueltos, principalmente enrocados, impermeabilizadas en la cara de aguas arriba con una losa de hormigón (presa tipo CFRD), constituye una solución cuya utilización comenzó en la primer parte del siglo pasado encontrándose en la literatura universal diversos antecedentes de daños significativos de la losa de aguas arriba, provocados básicamente por el asentamiento del material de apoyo de la misma, por lo cual se disminuyó la utilización porcentual de este tipo de presas a fines de la década de 1940. Los asentamientos se originaban, principalmente, en el proceso de colocación de los enrocados, los cuales eran volcados sin ningún tipo de compactación especial, siendo muy propensos a sufrir deformaciones de importancia. Estas deformaciones, que en presas con núcleo podían ser absorbidas por la deformación de los materiales sueltos, eran normalmente incompatibles con las losas de hormigón, generándose fisuras, roturas, y consecuentemente filtraciones de cierta importancia. En la época mencionada se comenzó con la utilización de las presas impermeabilizadas con pantallas de concreto asfálticos que cumplían con la facilidad constructiva de las CFRD, además de disponer de un material de una gran deformabilidad, las cuales no alcanzaron una difusión generalizada. Con posterioridad a la primer etapa de las presas CFRD, ya avanzada la segunda mitad del siglo veinte, la tecnología de la construcción incorporó al equipamiento disponible elementos que permitían lograr buenas compactaciones en terraplenes y, especialmente, en presas de enrocado, con lo cual se redujo substancialmente la posibilidad de deformaciones de importancia. A partir de la década de 1970 se inicia una nueva etapa en el desarrollo de las presas impermeabilizadas con losa de hormigón, incrementándose substancialmente la cantidad, importancia y magnitud de las mismas, constituyéndose en prácticamente todos los proyectos una alternativa obligada del diseño con la cual comparar las distintas soluciones seleccionadas.

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FRECUENCIA DE EJECUCIÓN DE LAS PRESAS CFRD

A partir de la situación precedentemente señalada se ha dado un substancial incremento porcentual de las presas CFRD en relación al universo de la totalidad de presas ejecutadas. Se considera actualmente normal la ejecución de presas del orden de 180 – 200 m en zonas de muy alta sismicidad, e incluso se encuentra en planificación y construcción presas que llegan a prácticamente 280 m; se han ejecutado asimismo losas de hasta 180.000 m2. Recientemente se ha completado el llenado y verificado un adecuado comportamiento de Shuibuya, en China, con 230 m de altura. En la República Argentina, el desarrollo de las presas CFRD acompañó a la experiencia mundial, aún dentro del relativamente reducido número de presas ejecutadas en nuestro país. Algunos números resumen de la experiencia mundial muestran que en el período que va desde 1980 al año 2010, se produjo la mayor parte del desarrollo de presas CFRD en el mundo donde la cantidad total de proyectos finalizados es del orden de 300; aproximadamente un 50 % exclusivamente en China, y el resto distribuido alrededor del mundo. Un detalle de la cantidad de proyectos finalizados a lo largo del tiempo, se muestra en el siguiente gráfico.

Cantidad de presas

Presas CFRD terminadas en el mundo 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Hasta 1930

19301940

19401950

19501960

19601970

19701980

19801990

19902000

20002010

Períodos considerados

Figura 1 – Presas CFRD completadas En tanto en Sudamérica en general, y en nuestro país en particular, la cantidad de presas ejecutadas, con distintos tipos de solución como con presas CFRD en particular, es más reducida. Por otra parte ha sido considerada la cantidad de presas habilitadas en el mundo durante el mismo período, la cual se muestra en la Figura 2.

Presas Finalizadas en el mundo 2000 - 2010 OTRAS

9%

43%

RCC

CFRD

48%

Figura 2 – Distribución de presas finalizadas en el mundo 2000 - 2010 Puede apreciarse que aún cuando no es la tipología de presas mas usualmente utilizada, que corresponde a las presas RCC, absorbe una porción muy importante de la cantidad de presas finalizadas. La importante cantidad de presas CFRD ejecutadas debe ser tenida en cuenta cuando se comentan en incidentes detectados en presas de este tipo como pueden ser Campos Novos, Barra Grande y Mohale, que representan un porcentaje relativamente bajo dentro del universo de estructuras ejecutadas. A los efectos de la experiencia local y regional, fueron utilizadas inicialmente las conclusiones y recomendaciones existentes en la bibliografía internacional y la asistencia de conocidos especialistas, con la necesaria adaptación a las condiciones locales, situación ésta que debe ser revertida, ya que se dispone en la actualidad de experiencias nacionales concretas que sirven de antecedentes válidos.

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PRESAS CFRD CONSTRUIDAS EN ARGENTINA

Las presas CFRD que fueron construidas en nuestro país pueden ser divididas en dos etapas netamente diferenciadas. La primera de ellas, con anterioridad a 1980, donde primaban los criterios de principios de siglo, y con posterioridad a dicha fecha, donde se ha comenzado a utilizar los más modernos conceptos que comenzaron a difundirse en el mundo. 3.1

PRIMERA ETAPA

1.1.2

Zanjón Frías

Constituye uno de los primeros proyectos ejecutados con cara de hormigón y fue emplazada sobre el zanjón Frías, en la Provincia de Mendoza. Fue construida de materiales sueltos con un revestimiento de hormigón de 0,30 m de espesor sobre el talud aguas arriba y de mampostería sobre el coronamiento y talud aguas abajo. Su altura máxima era de 15.00 m y la principal función de la presa era el control de los torrentes aluvionales que se generan en el pedemonte de la cordillera de los andes.

Fig. 2 – Presa Zanjón Frías luego de sobrepaso En enero de 1970 se produjo la rotura de la presa por sobrepaso, ante una importante tormenta y como consecuencia de dos aspectos: por una parte la falta de un mantenimiento adecuado que impidió disponer de la totalidad de la capacidad de evacuación y por otra que la avenida que produjo la rotura era de un período de recurrencia de sólo 10 años. Se produjeron 42 muertos y 60 desaparecidos. Quedaron 500 personas sin vivienda, 1000 automóviles dañados, 2 puentes destruidos y una línea de Alta Tensión afectada. Constituye la mayor catástrofe generada en nuestro país por la rotura de una presa de embalse y el mejor ejemplo de la rigurosidad que debe seguirse para el diseño, construcción y operación de una presa de embalse. La presa fue reconstruida en el año 1973 con otro proyecto. 3.1.1

El Chañar

Esta presa constituye el Dique Compensador de la Central Planicie Banderita, sobre el Río Neuquén, Provincia del Neuquén, con una altura máxima de 16 m e importante longitud. Su principal destino es el de regular el río, compatibilizando las erogaciones de la central hidroeléctrica aguas arriba con los requerimientos de riego ubicados aguas abajo. En el momento de su diseño y ejecución (1976-1978), aún persistía el estigma de las posibilidades de rotura de la losa de aguas arriba, como una consecuencia de importantes deformaciones, razón por la cual se analizó la

posibilidad de efectuar la impermeabilización del cuerpo de la presa con una pantalla de concreto asfáltico, confirmándose finalmente la utilización de la losa de hormigón. Corresponde a una presa de gran longitud y reducida altura, ejecutada en su parte frontal con una sección zonificada y núcleo central impermeable. Para la presa lateral, aún de menor altura, se prefirió la utilización de la solución CFRD para evitar complicaciones constructivas generadas por la ejecución de una presa zonificada, donde la colocación de diferentes materiales en la parte superior de la misma, es siempre dificultosa. Los trabajos, definidos sobre la marcha de las obras, fueron ejecutados con equipos disponibles en el Emplazamiento sin necesidad de incorporación especial alguna.

EL CHAÑAR - Presa lateral Nivel maximo 340,50m

343,52 Losa de hormigón e=25cm

2 1

Gravas arenosas Relleno de limo sin compactar

Gravas seleccionadas > 3"

2 1

Canal de drenaje permanente Gravas arenosas seleccionadas Limo

Limo Nivel freatico deprimido Viga cabezal

Diafragma de hormigon

Dren Aluvión / Grava

Roca

Figura 3 – Presa El Chañar Por otra parte, la independencia secuencial de construcción de la presa e impermeabilización de la fundación permitió disponer de ventajas programáticas indispensables en este caso, por la necesidad de compensar en fecha temprana los caudales de la central hidroeléctrica, ubicada aguas arriba y principal objetivo de las obras. Su comportamiento ha sido excelente hasta el momento. 3.2

SEGUNDA ETAPA

Se inicia en el año 1992 con el proyecto Pichi Picun Leufu (Río Negro – Neuquén), posteriormente la presa de Nogolí (San Luis), la presa Potrerillos (Mendoza), Caracoles (San Juan) todas éstas en operación. Actualmente se encuentran en ejecución en nuestro país las presas de Punta Negra (San Juan) y San Francisco (San Luis) con similar solución. 3.2.1

Pichi Picun Leufu

Pichi Picun Leufu es un Aprovechamiento Hidroeléctrico sobre el río Limay, entre las provincias de Neuquén y Río Negro, con un salto útil de 21 m y una altura máxima sobre la roca de fundación de 54 m. Su equipamiento de generación está constituido por tres turbinas Kaplan de 90 MW cada una, una energía media anual de 1080 GWh y un vertedero con capacidad para erogar hasta 10.500 m3/s. La longitud total sobre el coronamiento es de 1400 m aproximadamente. El proyecto original de la presa contemplaba un diseño tradicional de gravas con un núcleo impermeable, pero debido a la potencial dispersividad de las arcillas disponibles, que hubiera requerido un muy estricto control de los filtros utilizados, se decidió modificar el diseño, adoptando una presa homogénea de gravas con un paramento impermeable de hormigón, limitando el uso de materiales naturales a aquellos muy confiables como las gravas arenosas disponibles en el lugar.

PICHI PICUN LEUFU 482,70

Nivel maximo 480,20

Losa de hormigon e=35 cm Plinto

Gravas mayores a 3"

Gravas seleccionadas Gravas arenosas (esp. capas 0,5 m)

Gravas arenosas (esp. capas 1,0 m)

Aluvion/Gravas Limos naturales

ROCA

Figura 5 – Presa Pichi Picun Leufu La posterior necesidad de ejecutar la obra en dos etapas permitió verificar el adecuado comportamiento de la primer parte de la presa durante el tiempo en que estuvieron detenidos los trabajos, así como se lograron importantes ventajas programáticas para alcanzar la habilitación final del Proyecto. De esta forma se diseñó y construyó la primera experiencia del período moderno de CFRD en la República Argentina que fue puesto en servicio en el año 1999 y hasta el momento presenta un excelente comportamiento. 3.2.2

Potrerillos

Potrerillos es un aprovechamiento multipropósito ubicado sobre el Río Mendoza en la Provincia de Mendoza, destinada a la producción de hidroelectricidad y al almacenaje de agua para riego. La Presa tiene unos 116 m

de altura y alimenta a las centrales de Cacheuta y Alvarez Condarco, con una potencia instalada de total de 170,8 MW. Este proyecto fue estudiado en diversas oportunidades a lo largo del siglo veinte, planteándose distintas alternativas de presa, siendo la más desarrollada, previo a la etapa definitiva, la de una presa con núcleo. Posteriormente cuando se definió su ejecución, fue adoptada una presa CFRD, considerando la posibilidad de reducir en forma importante el volumen de los materiales a colocar, aún cuando la ubicación de la Presa se encuentra en una zona de importante sismicidad.

POTRERILLOS

Variable

Nivel máximo 1381,80 Gravas arenosas seleccionadas

Gravas arenosas

Losa de hormigón e=35 a 60cm

Dren

Gravas mayores a 3"

Limos Naturales Gravas arenosas Cordones de drenaje

Muro Colado

Filtro anticontaminante

Gravas - Aluvión ROCA

Figura 7 – Presa Pichi Picun Leufu La presa se comenzó a embalsar en el año 2002 y se encuentra funcionando sin inconveniente alguno. 3.2.3

Nogolí

Esta presa se construyó sobre el Río del Molle - Nogolí en la Provincia de San Luis, con la principal finalidad de almacenar agua eficientizando su utilización para consumo humano y de riego en una zona de escasas precipitaciones anuales. Tiene una altura máxima de 50 m.

Figura 8 – Presa Nogolí El llenado se produjo en el año 1999 y si bien inicialmente la presa presentó filtraciones de importancia, posiblemente originadas, entre otras cosas, en un llenado apresurado, fueron adoptadas soluciones correctivas para mejorar esta situación. Luego de las soluciones adoptadas en la obra, la presa se volvió a llenar, verificándose un comportamiento adecuado. 3.2.4

Los Caracoles

Los Caracoles es un Aprovechamiento Hidroeléctrico construido sobre el Río San Juan, aguas arriba de Ullum, provincia de San Juan, que tiene como principal objetivo la generación de energía hidroeléctrica, así como contribuir a la regulación del río. La altura máxima es de unos 160 m., la potencia instalada es de 63 MW y la energía media generada es de 705 GWh al año.

Figura 9 – Presa Los Caracoles Si bien inicialmente había sido considerada la adopción de una presa con núcleo, posteriores estudios dieron lugar a la presa CFRD, contando con gran parte de las ventajas señaladas para Potrerillos.

El llenado de la presa se produjo en el año 2008 y actualmente se encuentra en operación normal. En general, las distintas presas que se han construido en la República Argentina, muestra que los diseños CFRD han sido adoptados luego de sucesivas etapas de diseño y proyecto, donde otras alternativas de solución de presas se consideraron inicialmente más convenientes. De los distintos casos de presas construidas en nuestro país, surgen las principales razones que han llevado a diferentes Proyectistas en diferentes oportunidades a adoptar soluciones CFRD; estas razones corresponden a algunas ventajas aportadas por este tipo de presas, en relación con otras de materiales sueltos:







Simplicidad constructiva y reducida necesidad de equipos especiales. Posibilidad de obtener ventajas programáticas al independizar la construcción del cuerpo de la presa del cierre estanco. Amplia posibilidad de utilizar los materiales naturales disponibles, con adecuadas graduaciones de los mismos. Posibilidad de reducir los volúmenes de material de relleno. Excelente comportamiento, en general, de las presas construidas en la última etapa. Buen comportamiento frente a cargas dinámicas derivadas de acciones sísmicas.

Con relación a este último aspecto, el comportamiento de las presas frente a las acciones sísmicas, cabe mencionar que las últimas presas construidas, Potrerillos y Caracoles se ubican en zonas de importante acciones sísmicas previstas, con valores máximos de aceleración horizontal que llegan a 1,02 g. Este aspecto, si bien ha sido determinante en las soluciones adoptadas (juntas, drenes, instrumentación, etc.) no ha motivado un incremento apreciable de los taludes, y consecuentemente su costo, de las presas. Un resumen de las principales características de las presas construidas, se incluye en la tabla siguiente: PRESA

Provincia

Altura máxima (m)

Longitud cresta (m)

Taludes (aguas arriba/ abajo)

Superficie Inicio pantalla operación 2 (m ) (años)

El Chañar

Neuquén

16

2150

2/1;2/1

43.000

1979

Pichi Picun Neuquén Leufu – Río Negro Nogolí San Luis

54

1000

1,5/1;1,5/1

45.000

1999

50

370

1,5/1;1,8/1

24.000

2001

Potrerillos

Mendoza

116

480

1,4/1;1,4/1

66.000

2002

Caracoles

San Juan

160

620

1,5/1;1,7/1

77.000

2007

Tabla 1 – Presas CFRD operando en Argentina

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DESARROLLO FUTURO DE PRESAS CFRD

Dentro del conjunto de proyectos vigentes en Argentina, incluso algunos que están en proceso de inicio de ejecución, existe una cantidad de cierta importancia previstos con soluciones CFRD, atendiendo a los buenos resultados obtenidos en aquellos proyectos ya construidos. Por otra parte, existe otro conjunto de proyectos, ejecutados un cierto tiempo atrás, sobre los cuales se justifica una revisión, a los efectos de evaluar la conveniencia de mantener la solución prevista a los efectos de considerar si este tipo de presa no resulta más conveniente. Dentro del conjunto de presas ya definidas con solución CFRD, se incluyen las siguientes:

PRESA

Provincia

Punta Negra

San Juan

Altura máxima (m) 80 (en ejecución)

San Francisco

San Luis

45 (en ejecución)

Chihuido I

Neuquén

105

Condor Cliff

Santa Cruz

76

La Barrancosa

Santa Cruz

44

Los Blancos

Mendoza

135

Los Tordillos

Mendoza

48

La Estrechura

Mendoza

131

Cuesta Blanca

Córdoba

80

Piraí – Guazú 2

Misiones

73

Tabla 2 – Proyectos CFRD a ejecutar en Argentina

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PARTICULARIDADES DE LAS PRESAS CFRD EN ARGENTINA

Dentro de las presas CFRD ejecutadas en nuestro país, pueden ser señaladas algunas particularidades en cuanto a su diseño y ejecución, que marcan algunas diferencias relativas con relación a la mayoría de las obras ejecutados en otros lugares. 5.1

MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN

Tal como su original nombre lo indicaba las presas CFRD se han ejecutado normalmente con enrocados que constituyen el cuerpo de las mismas. En nuestro país, la mayor parte de las presas ejecutadas, e incluso aquellas que se prevén desarrollar, han utilizado, o consideran la utilización, como material principal de construcción gravas arenosas, provenientes de arrastre fluviales, las cuales presentaron diámetros máximos del orden de 6 “ en Pichi Picun Leufu o 20 “ en Caracoles o Punta Negra. Estos materiales constituyen un excelente material de construcción atendiendo a que permite una adecuada compactación con los equipos normales de construcción, acompañado de un buen humedecimiento, que en definitiva se traducen en asentamientos finales reducidos. Por contraposición, aquellas presas ejecutadas con enrocados son más susceptibles a mostrar asentamientos importantes atendiendo la particularidades de las formas de los bloques utilizados y al deterioro del contacto entre los mismos a lo largo de su vida útil. De acuerdo a la información bibliográfica existente los módulos de deformación verticales varían de 200 a 400 MPa para las gravas, a valores 40 a 100 MPa para enrocados, lo cual es indicativo de las diferencias de deformación registradas. No obstante lo señalado, es un principio universalmente aceptado que la construcción de una presa CFRD debe ser ejecutada con los materiales que localmente se dispongan, independientemente de sus características particulares, atendiendo a que siempre es posible optimizar el uso de los mismos, respetando los principios generales para su distribución y colocación que requieren: •

que la permeabilidad se incremente en el sentido del flujo (desde aguas arriba hacia aguas abajo), de forma que cualquier filtración que se produzca sea abatida y sature la menor porción posible del terraplén, mejorando el comportamiento frente a cargas estáticas y dinámicas.

•

que el módulo de deformación de los rellenos disminuya en el sentido del flujo, logrando que las capas donde se apoya la

pantalla presenten la menor deformación relativa, reduciendo las posibilidades de asentamientos de la misma y por lo tanto las probabilidades de fisuras, rotura de juntas, etc. Se concluye en que resulta una buena oportunidad para el comportamiento de las presas CFRD que se ejecuten en nuestro país la disponibilidad de este tipo de materiales. 5.2

CIERRE DE ESTANQUEIDAD EN FUNDACIÓN

Normalmente el cierre de estanqueidad de las presas CFRD se obtiene a través del plinto, que se apoya en una roca de adecuada estanqueidad y recibe las losas de la cara de hormigón. La adecuada inyección de la roca de fundación, a través de un tratamiento de impermeabilización y consolidación bajo el plinto, brinda un adecuado cierre de estanqueidad a la presa. Existen algunos casos en donde la profundidad del nivel rocoso está varios metros por debajo del nivel de la superficie, no resultando factible alcanzar en términos programáticos y económicos aceptables, dicho estrato. En este caso, el cierre se obtiene a través de muros colados que, excavados en aluvión, brindan la estanqueidad necesaria. Con la excepción de Pichi Picun Leufu, donde el plinto ha sido prácticamente apoyado sobre la totalidad de su recorrido sobre roca, en las restantes obras ha sido necesario utilizar una estructura intermediaria en la parte más profunda del valle, donde no se pudo llegar, en términos económicamente razonables, con la excavación al nivel de roca. Casualmente las dos principales presas CFRD ejecutadas en Argentina, Potrerillos, Los Caracoles, disponen de esta solución. El análisis de la información de distintas presas CFRD ejecutadas en el mundo muestra que la utilización de muros colados no corresponde a la solución más común, sino que por el contrario, lo usual es la utilización de plintos fundados sobre rocas. Algunos antecedentes se ubican en las presas de Santa Juana y Puclaro, en Chile, donde el muro colado ejecutado no alcanza el nivel inferior rocoso, sino que constituye un cierre parcial del cauce aluvional del río. Un esquema típico de solución para el caso de los muros colados se incluye a continuación:

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