Evolución de presas de enrocamiento compactado con face de concreto (ECFC) en el periodo de 1970 a 2015

1. INTRODUCCIÓN
El propósito de este artículo es sintetizar la experiencia obtenida por el autor sobre el desarrollo del diseño y construcción de presas altas de enrocado y/o gravas aluviales compactadas con un elemento impermeable externo caracterizado por una losa articulada de hormigón.
La evolución de la zonificación de las presas ha llevado a una clasificación internacional como se presenta en la Figura N° 1.
Las presas han progresado con la experiencia del comportamiento estructural y cada vez incrementan su altura.
En este artículo se presenta la evolución de las presas más altas durante el periodo de 1970–2015 destacando los problemas y soluciones que garantizan poder construir hoy en día estructuras próximas a los 300m de altura con adecuado funcionamiento y economía.

2. ZONIFICACIÓN
La zonificación internacional de este tipo de presas fue definida en el Simposio realizado en Detroit en 1985 por la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles, ASCE, División Geotécnica, en conjunto con la Convención del ASCE de ese año, en Detroit, Michigan.
En esta zonificación se definen como materiales tipo 1 los colocados aguas arriba, sobre la parte inferior de la losa que esencialmente son elementos que pueden migrar para colmatar eventuales rupturas de los sellos colocados sobre la junta perimetral o filtraciones en la losa principal.
Los materiales tipo 2 (2A, 2B) son filtros colocados inmediatamente debajo de la losa con una granulometría tal que compactados resultan en una base densa para apoyar los diferentes paneles que constituyen la losa principal.
El material 3 (3A) es una transición de enrocamiento entre el material 2B y el enrocamiento principal denominado como 3B.
Los enrocamientos 3B y 3C son elementos que constituyen el cuerpo de la presa siendo el 3B el más importante por su compacidad y alto módulo de deformabilidad. El material 3C generalmente se ubica aguas abajo del centro de la presa y aunque puede tener la misma granulometría del 3B se coloca con capas más espesas y con módulos de deformabilidad inferiores.
El material T es un elemento de inferior calidad que se ubica en el centro de la presa.
Generalmente en la parte inferior de la presa, sobre la fundación, se construye un material drenante que evita la saturación de los enrocados de aguas abajo garantizando su estabilidad.

3. CASOS HISTÓRICOS
La utilización de compactadores vibratorios fue iniciada en Europa en los años 50.
En el año de 1955 se construyeron en Suecia presas de 15m de altura con capas de 0.45m – 0.60m, compactadas con un 5 compactador con rodillo vibratorio de 1.6t y adicción de agua en proporciones de 5:1 como efectuado en la presa de Nissastrom.
La relación de vacíos obtenida fue de 0.29 y los movimientos registrados fueron milimétricos variando entre 3 a 5mm.
En Escocia fue terminada la presa Quoich de 38m de altura en 1955, utilizando capas de 0.60m de esquistos compactados con un compactador vibratorio de 3.5t aplicando agua con la presión de 3Kg/cm² y en proporciones volumétricas de 5:1. La densidad obtenida fue de 1.9 t/m³ y una relación de vacíos de 0.27.
La cara de concreto fue construida en paneles de 6 x 6m y la losa tubo un espesor de 0.30m con excepción de la base que fue construida con 0.45m de espesor.
El refuerzo utilizado fue de barras de 5/8” separadas a 0.27m centro a centro.
Vinieron después la construcción de varias presas de enrocado compactado construidas en Alemania Occidental, con cara de asfalto como Henne de 48m de altura y Bigge, 38m y Venemo de 60m construida en Noruega.
Generalmente estas presas se construían con materiales fragmentados procedentes de la excavación de túneles, con varias pasadas de los compactadores vibratorios que producían una disminución de la relación de vacíos cuando se comparaban con los materiales colocados sin vibración.
A continuación se describen las presas más altas del mundo construidas en el periodo de 1970 a 2015.

3.1. Cethana, 110m, Australia
Con anterioridad a la construcción de la presa de Cethana, 110m en Australia, la Comisión Hidroeléctrica de Tasmania decidió construir una presa modelo, debidamente instrumentada, que sirviera de referencia para la construcción de la presa principal con c

ara de concreto.
Fue así construida la presa de Wilmot, 35m, terminada en 1970, que abrió las puertas para la construcción de la primera presa alta, Cethana, 110m en Australia que fue un ejemplo de diseño y construcción para estimular el desarrollo de este tipo de estructuras en el mundo.
La presa de Cethana fue finalizada en 1971 y fue la estructura más alta de enrocamiento compactado con cara de concreto en el periodo de 1971 a 1974.
Las características principales de esta presa son las siguientes:
Cethana fue construida en un valle estrecho con un índice A/H² = 2.48, donde A es el área de la losa y H la altura de la presa. Se utilizó roca cuarcítica compactada con un cilindro vibratorio de 10t en capas relativamente pequeñas de 0.45m para 2B, 0.90m para 3B y 1.35m para 3C.
El área de la losa es de 30.000 m² con sellos de cobre en la parte inferior y caucho en la mitad de la losa que fue reforzada con 0.5% del área de la losa en las dos direcciones.
El espesor de la losa fue determinado utilizando la formula empírica de t = 0.30 + 0.002Hm.
El comportamiento de la presa desde el punto de vista de deformaciones e integridad de la losa fue excelente y al llenar el embalse se registraron filtraciones mínimas del orden de 35 l/s.
Recientemente, se estudió incrementar la altura de la presa en varios metros.

3.2. Alto Anchicayá, 140m, Colombia
La presa de Alto Anchicayá se encuentra localizada en el occidente Colombiano, cerca de la costa del Océano Pacífico, con una altura de 140m y un volumen de 2.400.000 m³.
La selección de este tipo de presa fue consecuencia de una región con alta pluviosidad del orden de 5.000mm al año.
La presa de Alto Anchicayá fue finalizada en 1974 y fue la estructura más alta de enrocamiento compactado con cara de concreto en el periodo de 1974 a 1980.
Las características principales de esta estructura son las siguientes:
Alto Anchicaya fue construida en un valle más estrecho que Cethana con un índice A/H² = 1.14 utilizando roca metamórfica (Cornuvianita) y roca Ignea (Diorita) compactadas con un cilindro vibratorio de 10t en capas de 0.50m para 2B y 0.60m para 3B y 3C.
El área de la losa es de 22.300 m² con un único sello de caucho especial colocado en la mitad de la losa que fue reforzada con 0.6% del área de la losa en las dos direcciones.
El espesor de la losa fue determinado utilizando la formula empírica de t = 0.30 + 0.003Hm. El comportamiento de la presa desde el punto de vista de deformaciones e integridad de la losa fue también excelente como Cethana y al llenar el embalse no se produjeron movimientos que pudieran afectar las juntas entre los paneles ni la losa perimetral.
El comportamiento del sello fue adecuado en su mayor parte, pero se presentaron sitios donde el hormigón no penetró alrededor del sello causando filtraciones que llegaron a valores altos de 1.800 l/s.
Las características del río con caudales bajos, permitieron bajar el embalse por una descarga de fondo y efectuar un tratamiento localizado con la colocación de una masilla y arcilla que redujeron las filtraciones a 180 l/s.
El comportamiento de la presa hasta la fecha es adecuado.

3.3. Foz do Areia, 160m, Brasil
Las experiencias de Cethana y Alto Anchicayá fueron básicas para el diseño de la presa de Foz do Areia, localizada sobre el Rio Iguaçú, en el estado de Paraná, en la región sur del Brasil con una altura de 160m y un volumen de 14.000.000 m³ aproximadamente.
La presa de Foz do Areia fue finalizada en 1981 y fue la estructura más alta del mundo, con enrocamiento compactado con cara de concreto en el periodo de 1980 a 1993.
Las características principales de esta estructura son las siguientes:
Foz do Areia fue construida en un valle amplio con un índice A/H² = 5.43 utilizando roca Basáltica y Brechas compactadas con un cilindro vibratorio de 10t en capas de 0.40m para 2B, 0.80m para 3B y 1.60m para 3C.
El área de la losa es muy extensa de 139.000 m² con un sello de cobre en la parte inferior, otro de PVC colocado en la mitad de la losa y una cobertura con masilla en la junta perimetral y juntas a tracción. La losa fue reforzada con 0.4% del área de la losa en las dos direcciones.
El espesor de la losa fue determinado utilizando la formula empírica de t = 0.30 + 0.00357Hm.
El comportamiento de la presa fue de acuerdo a las predicciones pero la circunstancia de utilizar Basaltos duros, con granulometría uniforme, produjo enrocamientos con un índice de vacíos alto (0.33) y deformaciones internas relativamente altas, superiores a los 3.60m en la parte central de la presa.
La filtración observada durante el primer llenado del embalse fue de 236 l/s con variaciones normales durante la vida del proyecto.

3.4. Aguamilpa, 187m, México
El Proyecto Hidroeléctrico de Aguamilpa se encuentra en la parte central del estado de Nayarit al oeste de México y tiene una presa de gravas aluviales y enrocamiento, ubicada en el rio Santiago, con una altura de 187m y un volumen de aproximadamente 13.000.000m³.
La presa de Aguamilpa fue finalizada en 1993 y fue la estructura más alta del mundo, con gravas y enrocamiento compactados con cara de concreto en el periodo de 1993 a 2006.
Las características principales de esta estructura son las siguientes:
Aguamilpa fue construida en un valle amplio con un índice A/H² = 3.92 utilizando gravas aluviales en la parte de aguas arriba y roca Ignea (Ignimbrita) compactadas con un cilindro vibratorio de 10t en capas de 0.40m para 2B y 3A, 0.80m para 3B y 1.60m para 3C.
El área de la losa es también extensa de 137.000 m² con un sello de cobre en la parte inferior, otro de PVC colocado en la mitad de la losa y una cobertura con cenizas volantes en la junta perimetral y juntas verticales. La losa fue reforzada con 0.3% horizontalmente y 0.5% verticalmente del área de la losa.
El espesor de la losa fue determinado utilizando la formula empírica de t = 0.30 + 0.003Hm.
El comportamiento de la presa fue relativamente bueno pero la diferencia de módulos de compresibilidad entre las gravas aluviales y el enrocamiento permitió la generación de una grieta horizontal.
La filtración observada durante el primer llenado del embalse fue de 258 l/s con variaciones causadas por la presencia de la grieta horizontal que fue tratada posteriormente. Actualmente se registra una filtración de 47 l/s.

3.5. Campos Novos, 202m, Brasil
El Proyecto Hidroeléctrico de Campos Novos está ubicado sobre el rio Canoas en el estado de Santa Catarina en el sur del Brasil. La presa tiene una altura de 202m y un volumen de 12.100.000 m³ construida con basalto compactado.
La presa de Campos Novos fue terminada en el año de 2006 siendo en ese momento la estructura más alta del mundo, sobrepasando la presa de Aguamilpa en México por el periodo de 2006 a 2008.
Las características principales de esta presa son las que se describen a seguir:
El valle donde se ubica la presa tiene un índice de A/H² = 2.16 característico de un cañón estrecho formado por derrames de basalto. La presa fue construida con enrocamiento basáltico compactado con un rodillo vibratorio de 12t en capas de 0.50m para el 2B y 3A, 1.00m para 3B y 1.60m para 3C.
La losa de la presa tiene un área de 106.000 m² construida con paneles de 16m de ancho con sellos de cobre en la parte inferior y protegidos con masilla en la parte superior de la junta perimetral y juntas verticales de tracción. Las juntas de compresión tenían únicamente el sello de cobre inferior.
La losa fue reforzada con 0.4% de la sección en ambas direcciones horizontal y vertical.
El espesor de la losa fue determinado utilizando la formula empírica de t = 0.30 + 0.002Hm hasta la profundidad de 100m y la fórmula t = 0.005H para profundidades mayores que 100m con el objetivo de tener un gradiente hidráulico sobre la losa del orden de 200.
La losa presentó fracturas con el aumento de filtraciones como se discute más adelante cuando se describen los problemas asociados a presas construidas con basaltos en valles estrechos sin protecciones en las juntas centrales.

3.6. Shuibuya, 233m, China
La presa de Shuibuya fue construida sobre el rio Qingjiang localizado en el condado de Badong en la provincia de Hubei en China. La presa tiene una altura de 233m y un volumen de 15.640.000 m³.
La presa de Shuibuya fue terminada en el año de 2008 siendo actualmente la estructura, con cara de concreto, más alta del mundo en operación.
Las características principales de esta presa son las que se describen a seguir:
El sitio donde se ubica la presa tiene un índice de A/H² = 2.21 característico de un valle estrecho. La presa fue construida con calizas compactadas con compactadores vibratorio de gran tamaño de 18-25t con adicción de agua en proporciones de 150 l/m³. El enrocamiento fue compactado en capas de 0.40m para el 2B y 3A, 0.8m para 3B y 3C y una capa externa de aguas abajo de 1.20m para 3D.
La losa de la presa tiene un área de aproximadamente 120.000 m² construida con paneles de 15m de ancho con sellos de cobre en la parte inferior y protegidos con sellos corrugados con masilla en la parte superior en la totalidad de las juntas.
La losa fue reforzada con porcentajes de 0.3% y 0.4% de la sección para el refuerzo horizontal y vertical respectivamente.
El espesor de la losa fue determinado utilizando la formula empírica de t = 0.30 + 0.003Hm con el objetivo de tener un gradiente hidráulico sobre la losa mayor que 230.
La presa fue construida conservativamente como se explica en el capítulo 5.

4. ACCIDENTES CON RUPTURAS DE LA LOSA
En septiembre de 2003 fueron informados los primeros accidentes de rupturas de losas en la presa de Tianshengqiao, China que se repitieron secuencialmente en las presas de Barra Grande y Campos Novos en Brasil y Mohale en Lesotho, África del Sur.
A continuación se describen las observaciones publicadas sobre estos accidentes.

4.1. Tianshengqiao I, 178m, China
La presa de Tianshegqiao I (TSQ I) tiene una altura de 178m y un volumen de 17.700.000 m³ construida en un valle amplio con índice A/H² = 5.68.
Los módulos de compresibilidad de la presa fueron relativamente bajos con valores de 45 MPa para la zona 3B y 24 MPa para las zonas de aguas abajo.
Durante el primer llenado del embalse no se presentaron rupturas en las juntas centrales ni manifestaciones de sobre esfuerzo en el parapeto. Tres años después del primer llenado se observaron rupturas en la parte superior de las losas centrales designadas como L3 y L4 sin afectar los sellos de cobre colocados en la parte inferior de la losa. Estas rupturas fueron reparadas restituyendo el espesor original de la losa.
Un nuevo incidente ocurrió en el mismo lugar por exceso de esfuerzo de compresión sin afectar los sellos de cobre y sin causar aumento en las filtraciones de la presa. La reparación fue efectuada colocando un elemento de caucho de 2 cm de espesor para mitigar los posibles esfuerzos de compresión presentados en la losa. El funcionamiento ha sido adecuado.

4.2. Barra Grande, 185m, Brasil
La presa de Barra Grande es una estructura de 185m de altura, con un volumen aproximado de 12.000.000m³ y una losa principal de 108.000m².
La presa fue construida simultáneamente con la presa de Campos Novos en un valle estrecho con índices A/H² = 3.10 y utilizando enrocamiento basáltico con capas de 1.00m y 1.60 para el enrocamiento principal de la presa.
Los módulos de compresibilidad que se obtienen en los basaltos son relativamente bajos del orden de 60 MPa para enrocamentos uniformes con relación de vacíos superiores a 0.30.
Los registros del llenado del embalse indican la siguiente secuencia:
El primer llenado del embalse fue iniciado el 05 de Julio de 2005 y procedió normalmente hasta el 19 de Septiembre del mismo año cuando se observó una filtración de 220 l/s. Tres días más tarde cuando el embalse llegó a un 90% de su altura máxima la filtración se incrementó súbitamente a 400 l/s observándose la ruptura de las losas centrales (19 y 20) por exceso de esfuerzos de compresión. La filtración continuó aumentando hasta llegar a valores superiores a los 1.260 l/s. Inspecciones efectuadas en la losa externamente y registros sub acuáticos indicaron la continuidad de la ruptura hasta unos 80 m de profundidad y la penetración de una losa sobre la otra con valores de 12 cm de superposición. También fue observado ruptura en el parapeto.
Fueron efectuados varios intentos para disminuir la filtración lanzando materiales finos que disminuyeron temporalmente la filtración.

4.3. Campos Novos, 202m, Brasil
La presa de Campos Novos presentó fracturas en la losa como se indican en la fotografía No. 10 que registra el sistema de rompimiento de la losa una vez efectuado el descenso del embalse.
En Campos Novos un accidente en las compuertas del túnel de desvío produjo un descenso rápido del embalse permitiendo observar las rupturas de las losas de la presa e interpretar el fenómeno del rompimiento por exceso de compresión en la parte central de la losa. Inicialmente, con el embalse casi lleno, se observó el rompimiento de la junta central entre las losas 17 y 18, cuando se alcanzó aproximadamente 90% de la altura del embalse y la filtración creció de 30 l/s a 450 l/s aunque el embalse permanecía constante en la El. 640 y fue gradualmente progresando hasta llegar a una filtración de 1487 l/s.
La instrumentación y análisis estructurales mostraron que la ruptura pudo originarse a 30 – 40% de la altura del embalse y avanzó verticalmente hacia la corona y transversalmente hacia los estribos. Es posible que debido al relevo de fuerzas producida por el descenso rápido del embalse se hayan generado movimientos adicionales en el refuerzo y en la losa. La foto 10 muestra que la ruptura se produjo inicialmente en el sitio de mayor deflexión de la losa irradiándose en la dirección vertical y transversal. La deflexión en el punto inicial de ruptura fue de 0,67m. Las grietas fueron reparadas en un periodo de 4 meses colocando en las juntas centrales rellenos flexibles bituminosos de 5 cm de espesor en las 4 juntas verticales centrales. Al llenar de nuevo el embalse la instrumentación registró que las juntas cerraron 60mm y mitigaron los esfuerzos centrales producidos por el llenado del embalse.

4.4. Mohale, 145m, Lesotho, África
La presa de Mohale tiene una altura de 145m y un volumen de aproximadamente 8.000.000m³, ubicada en un valle amplio con índice A/H² = 4.13.
La presa fue construida con capas espesas de basalto compactado de 1,00m (3B) aguas arriba y 2,00m (3C) aguas abajo obteniéndose módulos de deformabilidad de 40 MPa y 30 MPa respectivamente.
El embalse se llenó lentamente hasta que en el mes de Febrero de 2006 los caudales en el rio aumentaron permitiendo el llenado completo del embalse. El 14 de Febrero de 2006 la losa de la presa presentó problemas similares a los observados en la parte superior de Barra Grande y Campos Novos en las juntas centrales (17 y 18) produciendo el traslape de una losa sobre la otra en aproximadamente 80mm.
Los medidores de deformación instalados en las losas centrales indicaron súbitas variaciones durante el llenado del embalse que se reflejaron en aumento de filtraciones hasta llegar a un valor de 600 l/s. La propagación de las grietas parece haber sido en forma similar a lo observado en Campos Novos llegando a afectar el pavimento de la corona de la presa.
Investigaciones posteriores utilizando buzos y aparatos de televisión subacuática demostraron que la propagación de las grietas fue similar a lo observado en la losa de Campos Novos.
Cuando el embalse bajó se efectuaron tratamientos remediales en la parte superior de la presa. Una inspección llevada a cabo cuando el proyecto completó 10 años indicó que las filtraciones permanecen constantes cuando el embalse alcanza su cota máxima.