Auscultación de presas

Auscultación de presas

CONTROL HIDRÁULICO.

Dado que la presa es un elemento que tiene por función contener el agua de un cauce natural, por lo que el control de la presión del agua es una actividad crítica.

Una cierta cantidad de agua se filtra a través de, debajo, y alrededor todas las presas.  El agua se mueve a través de los poros en el suelo y a través de las grietas y juntas en la roca. Debido a que las presiones de poro en el terraplén o cimientos afectan directamente a la estabilidad de la presa, es importante tener una imagen precisa de las presiones de agua lo largo de la presa y sus cimientos.

Los dispositivos utilizados para medir la presión del agua se denominan piezómetros y se utilizan para medir la presión del agua y localizar el nivel freático asociado a la filtración.  Estas medidas pueden ser críticas debido a la inestabilidad inducida por las condiciones de sifonamiento o filtraciones presentes, como por ejemplo unas subpresiones altas.

El propósito de una toma de datos de piezometría es determinar la presión del agua en un punto concreto de una masa de roca, tierra u hormigón. Estas mediciones se pueden hacer de forma directa o indirecta. Las mediciones directas se realizan para determinar la cota de agua real en un punto determinado, pudiendo ser convertidas en presiones equivalentes en el punto de nuestro interés. Las mediciones indirectas dan una presión de agua que puede convertirse en valores de cota de agua. El valor fundamental de los datos de presión de agua en una presa es alertar sobre ciertas condiciones o problemas que pudieran existir o estuvieran desarrollándose.

  • Piezómetros.

Existen dos tipos básicos de sistemas: abiertos y cerrados.

En forma resumida, los piezómetros abiertos suministran una medida directa de la cota de agua que se encuentra en un taladro vertical, representando este valor el nivel freático en la tierra o roca circundante.

Existe una amplia variedad de piezómetros en cada una de las dos categorías mencionadas, pero es conveniente identificar en primer lugar las diferencias básicas entre ambos sistemas.

De forma breve, los piezómetros abiertos proporcionan una medida directa de la cota del nivel de agua en un tubo vertical, representando este valor el nivel freático en el terreno circundante. En los piezómetros cerrados el nivel de agua no está en contacto directo con la atmósfera, la presión del agua se mide generalmente por medio de un diafragma embebido en un sistema, a través de medios eléctricos o mecánicos, por dispositivos instalados en la columna de agua.

A continuación, pasamos a describir con más detalle los tipos de instrumentos incluidos en ambos sistemas.

  • Piezómetros abiertos.
    • Pozos de observación.

Es la forma más simple de piezómetro abierto. Se utilizan para medir la cota media de agua en diferentes zonas a través de sondeos. Este tipo de pozos permite que el agua pase a través de las ranuras de un tubo dren., o se eleve desde el fondo de una tubería abierta. El agua medida puede venir de diferentes zonas del subsuelo y no se aísla mediante sellos en el sondeo, por lo cual no se tiene seguridad de si el punto que medimos tiene aportes de otras zonas o no.

Los pozos de observación se usan para medir la cota media de agua en el terreno, Como se puede ver en la figura siguiente, un pozo de observación consiste en una tubería con un tramo perforado instalado en un sondeo relleno de arena. El sellado de la superficie con mortero de cemento u otro material, es necesario para evitar que el agua superficial entre en el sondeo y requiere de ventilación en el tapón de superficie de forma que el agua circule libremente por el punto de captación.

 

Figura 4.57: Pozo de observación.

La cota de la lámina de agua se determina introduciendo un indicador especial de nivel de agua o sonda, en el interior de la tubería hasta que toca el agua, momento en que se anota el nivel al que se encuentra. El indicador puede ser tan simple como una cinta métrica con un peso que al dejarlo caer nos permite oír el momento en el que choca con el agua, o una sonda eléctrica que emite un sonido al entrar en contacto con el agua.

Debido a que el pozo de observación no está sellado en una determinada zona, se crea una conexión vertical entre los estratos. Por lo que el nivel del agua dentro del pozo de observación es probable que corresponda a la elevación de agua, en la zona más permeable, y puede ser engañosa. Los pozos de observación no se pueden utilizar para medir la presión del agua en una zona específica, ni se pueden utilizar para inferir acerca de la presión de agua en zonas específicas.

  • Otros sistemas de piezómetros abiertos.

A diferencia de los pozos de observación que admiten agua a todo lo largo de su longitud y miden una cota media de agua, hay otros tipos de piezómetros abiertos que pueden usarse para medir puntos concretos.

Los dos tipos más habituales son el piezómetro de tubo ranurado y el de tubo poroso. La diferencia básica entre ambos se refiere al diseño en cuanto a la forma en que capta el agua. Los piezómetros de tubo poroso se utilizan generalmente en áreas de materiales de grano fino, que podrían saturar el ranurado del otro tipo de piezómetros.

La diferencia básica entre el pozo de observación y estos otros tipos de piezómetros abiertos consiste en que en estos sistemas el sensor se encuentra aislado en una capa o zona de influencia concreta del cuerpo de la presa o su cimentación, de manera que sólo miden la presión en ese punto.

Este tipo de piezómetros se instalan en un sondeo, situándose la punta a la profundidad determinada en la que se desea conocer la presión. Generalmente, el hueco alrededor de la punta de captación está rodeado de arena limpia. El tubo vertical llega desde la punta hasta la superficie, estando por encima del sensor sellada con arcilla, bentonita o mortero, de forma que se aísle el sensor y mida sólo la presión de la capa en la que se encuentra.

Si se instalan más sensores dentro del mismo sondeo, cada uno estará aislado en una zona concreta de la misma manera descrita antes.

Figura 4.58: Piezómetro abierto.

La parte superior del tubo está equipado con una tapa de protección y, a menudo una cerradura para evitar que objetos extraños entren en el piezómetro. Estos tapones normalmente tienen un pequeño agujero perforado para evitar una acumulación de presión. Si la presión del agua está por encima de la parte superior de la tubería, se puede instalar un sensor de presión y válvula de purgado.

El nivel del agua en la tubería marca la presión del agua en el material que rodea la punta de captación.

Dado que sabemos las cotas en la parte superior de la tubería y en la punta del piezómetro, podemos determinar la presión del agua en la punta midiendo la distancia desde la parte superior de la tubería al nivel del agua, y luego restando esta distancia a la longitud conocida del piezómetro. Esta distancia puede ser entonces convertida en presión. La figura siguiente muestra un esquema del proceso de cálculo con este tipo de piezómetro. Esta distancia puede convertirse luego en presión.

Figura 4.59: Cálculo de presiones por cota de agua.

Existen válvulas que pueden proporcionar la altura o la presión, como en el ejemplo que se muestra en la figura.

Figura 4.60: Cálculo de presiones por manómetro.

Este tipo de instalaciones se conoce como cabezal de drenes o piezómetro de tres vías y se instalan por lo general en los drenes de las presas. Los drenes se utilizan normalmente para controlar las subpresiones en el cimiento de las presas. Dentro de la auscultación hidráulica es un dato esencial ya que permite conocer la eficacia de la red de drenaje y el comportamiento de la pantalla de impermeabilización y la ley de subpresiones en las secciones controladas.

Estos cabezales disponen de una llave de tres vías, con posiciones de cerrado (no permitiendo drenaje), abierto (drenando) y de lectura, de forma que cuando existe presión en el dren este efectúe la medida con un manómetro. Los tubos y piezas de unión hasta el tubo del dren son de PVC, cortados y acoplados a medida para llevar agua hasta la canaleta de la galería.

 

   

Figura 4.61: Llave de tres vías con manómetro.

Para realizar las medidas cada equipo lleva incorporado un manómetro, roscado en la parte superior del cabezal, de modo que se pueden obtener directamente las subpresiones en ese punto (en Kg/cm2) con solo girar la llave a la posición de lectura.

  • Piezómetros cerrados.

En los sistemas cerrados, la superficie del agua no está directamente expuesta a la atmósfera, de modo que la presión del agua se obtiene normalmente a través de un diafragma por medios mecánicos o eléctricos, o por medidores acoplados a tuberías llenas de agua.

Hay un abanico muy grande de piezómetros cerrados, pero se pueden agrupar en función de sus principios elementales de funcionamiento. Las tres categorías básicas de piezómetros cerrados son:

  • Piezómetros hidráulicos.
  • Piezómetros neumáticos.
  • Piezómetros eléctricos.
    • Piezómetros hidráulicos.

Este tipo de piezómetros miden las presiones intersticiales en terraplenes y cimientos de presa por medio de manómetros instalados en pozos situados aguas abajo del pie de presa.

La presión se transmite a los manómetros a través de dos tubos llenos de agua que llegan desde la punta de cada piezómetro. La presión intersticial llega a la punta de captación a través de un filtro poroso, como se puede apreciar en la figura adjunta.

Figura 4.62: Piezómetro hidráulico.

  • Piezómetros neumáticos.

Este tipo de piezómetros utiliza la presión de gas para medir la presión del agua. Como en el modelo anterior, el agua pasa a través de un filtro poroso y presiona un diafragma por medio de un pequeño tubo acoplado a un extremo del piezómetro y a una unidad de lectura en el otro. La presión neumática que se necesita para forzar al diafragma hasta dejarlo en posición abierta, es la que se mide. El exceso de presión se libera a la atmósfera a través de un tubo de salida. La figura siguiente muestra un piezómetro neumático típico.

 

Figura 4.63: Piezómetro neumático.

  • Piezómetros eléctricos.

Determinados sistemas de piezómetros cerrados funcionan eléctricamente, siendo el tipo más común el de cuerda vibrante.

Los piezómetros de cuerda vibrante son equipos diseñados para el control y registro, en puntos no accesibles, de presiones hidrostáticas en suelos, rocas, pozos y conducciones.

Los piezómetros de cuerda vibrante se pueden instalar en sondeos tanto verticales como horizontales y sub o sobre horizontales.

Para su instalación en el sondeo se procederá como se ha comentado con anterioridad con otros equipos. Durante la ejecución del sondeo, éste puede estar entubado, retirándose la tubería cuando se vaya a proceder con la instalación del piezómetro.

En las inmediaciones de la punta del piezómetro no debe de haber lodo o residuos del sondeo. Una vez que el área de instalación esté limpia, se colocará el piezómetro embebido en arena limpia que actúe de material de filtro. La arena cubrirá unos 150 mm por encima de la punta del piezómetro.

En todos los equipos con filtros porosos es conveniente que la punta del piezómetro haya estado sumergida en agua durante unas 24 horas, antes de instalarse en el sondeo.

Antes de inyectar el sondeo, se colocara un material tipo bentonita por encima de la arena que recubre el piezómetro, que evite que entre la lechada de mortero en la punta de captación.

En la figura siguiente se muestra una instalación típica de piezómetro múltiple.

 

Figura 4.64: Piezómetro eléctrico.

El piezómetro comprende un elemento poroso integral con un transductor de cuerda vibrante, que se instala en sondeos o materiales de relleno. De esta pieza sale el cable apantallado que conecta el transductor a la caja de terminales o la unidad de lectura.

Como en el resto de los aparatos de cuerda vibrante, el transductor de cuerda vibrante consiste en un cable de acero, retenida en un extremo del diafragma y en el otro al cuerpo del elemento sensor. El modo de operación es pulsando la cuerda vibrante, como se pulsan las cuerdas de una guitarra, obteniéndose así una vibración no sostenida. La cuerda vibra a su frecuencia de resonancia, que es función de la tensión a la que se encuentra la misma cuerda, e induce una corriente alterna en una bobina y esta corriente a su vez es detectada por la unidad de lectura, que mide con precisión el periodo de oscilación. La pantalla muestra entonces muestra la información en unidades de ingeniería. Las lecturas se hacen midiendo el tiempo transcurrido para 100 ciclos.

En la figura siguiente se muestra un esquema de un piezómetro de cuerda vibrante típico.

Figura 4.65: Croquis piezómetro de cuerda vibrante.

A diferencia de los piezómetros abiertos, los piezómetros de cuerda vibrante requieren de unidades especiales de lectura. Como las tecnologías de cada equipo de lectura pueden variar mucho, es conveniente consultar las instrucciones del fabricante sobre su uso y el tipo de salida de datos que provee.


Este artículo corresponde a un fragmento de uno de los módulos del “Curso de auscultación de presas“.