Abstract

Este trabajo es el fruto de una tesis doctoral cuyo objetivo principal es definir criterios de diseño
de protecciones en forma de repié en presas de materiales sueltos cuyo espaldón de aguas abajo
esté formado por escollera. La protección propuesta consiste en un relleno de material granular
situado sobre el pie de aguas abajo de la presa y formado a su vez por una escollera con
características diferenciadas respecto de la escollera que integra el espaldón de la presa.

La función de esta protección es evitar que se produzcan deslizamientos en masa cuando una
cantidad de agua anormalmente elevada circula accidentalmente por el espaldón de aguas abajo
de la presa por distintos motivos como pueden ser el vertido por coronación de la presa o la
pérdida de estanqueidad del elemento impermeable o del cimiento. Según los datos de la
International Commission on Large Dams (ICOLD 1995) el 70% de las causas de rotura o avería
grave en presas de materiales sueltos en el mundo están dentro de las que se han indicado con
anterioridad.

Esta circulación accidental de agua a través del espaldón de escollera, típicamente turbulenta, se
ha denominado en este trabajo percolación (“through flow”, en inglés) para diferenciarla del
término filtración, habitualmente utilizada para el flujo laminar a través de un material fino. El
fenómeno físico que origina la rotura de presas de materiales sueltos sometidas a percolación
accidental es complejo, entrando en juego diversidad de parámetros, muchas veces no
deterministas, y con acoplamiento entre procesos, tanto de filtración como de arrastre y
deslizamiento.

A lo largo de la investigación se han realizado diferentes estudios experimentales y numéricos con
objeto de analizar el efecto sobre el nivel de protección frente al deslizamiento en masa que
producen los principales parámetros geométricos que definen el repié: la anchura de la berma, el
talud exterior y su altura máxima desde la base. También se han realizado estudios sobre factores
con gran influencia en el fenómeno de la percolación como son la anisotropía del material y el
incremento de los caudales unitarios en el pie de presa debidos a la forma de la cerrada.
A partir de los resultados obtenidos en las distintas campañas de modelación física y numérica se
han obtenido conclusiones respecto a la efectividad de este tipo de protección para evitar parcial
o totalmente los daños provocados por percolación accidental en presas de escollera. El resultado
final del trabajo es un procedimiento de diseño para este tipo de protecciones.

Con objeto de completar los criterios de dimensionamiento, teniendo en cuenta los mecanismos
de rotura por erosión interna y arrastre, se han incluido dentro del procedimiento
recomendaciones adicionales basadas en investigaciones existentes en la bibliografía técnica.
Finalmente, se han sugerido posibles líneas de investigación futuras para ampliar el conocimiento
de fenómenos complejos que influyen en el comportamiento de este tipo de protección como son
el efecto de escala, la anisotropía de la escollera, las leyes de resistencia que rigen la filtración
turbulenta a través de medios granulares, los efectos de cimentaciones poco competentes o la
propia caracterización de las propiedades de la escollera de presas.

Abstract

Este trabajo constituye el inicio de una investigación cuyo objetivo final es definir criterios de
diseño de las protecciones de escollera en forma de repié situadas sobre el talud de aguas abajo de una presa de escollera. La función de estas protecciones es evitar el proceso de deslizamiento en masa que puede producirse cuando el agua vierte sobre la coronación de la presa como consecuencia de la insuficiencia de sus órganos de desagüe. Queda fuera del ámbito de este trabajo el estudio de la erosión que también puede producirse.
El trabajo se enmarca en el proyecto de investigación XPRES, en el que participan CEDEX, CIMNE y la UPM, y cuyo objeto es estudiar la rotura de las presas de escollera por sobrevertido y su protección.
Tras el análisis del estado del arte, se realizaron ensayos en modelo físico de 6 casos diferentes
con distintas secciones tipo de material granular, no cohesivo, diferente para la presa y la
protección. Estos ensayos se han realizado en un recinto de ensayo de 13,7 m (largo) x 2,4 m
(ancho) x 1,4 m(alto); la altura de la presa ha sido de 1 m y el volumen del material utilizado en
cada ensayo ha sido de entre 4,1 m3 y 5 m3. También se realizó la modelación numérica de la
filtración y el cálculo de la estabilidad en masa correspondiente, calibrados mediante los datos
obtenidos mediante modelación física. Como caso de referencia se ensayó la rotura de la presa
sin proteger para, de esa forma, tener criterio de comparación y evaluar el incremento de la
seguridad alcanzado en cada uno de los 6 casos ensayados.
A partir de los ensayos realizados y de la modelación matemática se han obtenido conclusiones respecto a la idoneidad de este tipo de protección para evitar la rotura de presasa de escollera en situación de sobrevertido. Para ello se ha analizado el caudal de sobrevertido soportado comparándolo con el que soportaría la presa sin protección alguna, así como el aumento del coeficiente de seguridad al deslizamiento de la presa protegida y su incremento respecto de la presa sin protección.
Se ha podido comprobar la bondad de los métodos de cálculo habitualmente utilizados en la
práctica ingenieril, haciendo uso de modelos de filtración con ley de resistencia lineal y modelos de deslizamiento en masa por métodos de equilibrio límite (concretamente se ha utilizado el método de Bishop), como medio para analizar la estabilidad de este tipo de solución.
Finalmente, se establecieron las pautas de las nuevas investigaciones a realizar en lo sucesivo
para alcanzar el objetivo final: definir criterios concretos de diseño fáciles de llevar a la práctica.

Abstract

Actualmente las presas de materiales sueltos son la tipología cuya elección es más frecuente debido, en parte, a los grandes avances que se han hecho en el estudio de los materiales que se utilizan en este tipo de estructuras, a la gran facilidad de encontrarlos y a su bajo coste y, por otra parte, a su adaptabilidad a una amplia variedad de emplazamientos. Sin embargo, hay que tener en cuenta su gran vulnerabilidad frente a fenómenos de sobrevertido, que pueden comprometer seriamente la estructura e incluso causar su colapso. Es por todo esto que en los últimos años se está manifestando un interés creciente en el estudio del comportamiento de las presas de material sueltos frente a fenómenos extremos.

Esta tesina se enmarca en el contexto del proyecto XPRES del Plan Nacional I+D del Ministerio de Educación y Ciencia [2], cuyo principal objetivo es desarrollar un método computacional para el análisis de la evolución de la filtración, así como el seguimiento del proceso de rotura en las presas de escollera en caso de sobrevertido. Este objetivo requiere el desarrollo de dos modelos numéricos acoplables, uno que modelice el proceso de filtración en el cuerpo de la presa y otro que modelice la respuesta estructural. Se pretende abordar la validación de los algoritmos desarrollados por CIMNE para la modelización de la filtración y determinar cuál de ellos presenta las mejores características para su aplicación en casos reales. La validación se llevará a cabo utilizando Kratos, un código abierto C++ que se está desarrollando en CIMNE pensado para resolver problemas de multifísica mediante el método de los elementos finitos. Los resultados numéricos se compararán los datos experimentales proporcionados por CEDEX y UPM y los modelos teóricos obtenidos por UPM. Esta validación se centrará, principalmente, en el modelo en dos dimensiones, aunque se hará extensible al caso en tres dimensiones.