Tesis:
Materiales heterogéneos para su utilización en núcleos de presas de materiales sueltos
- Autor: SÁNCHEZ MARTÍN, José
- Título: Materiales heterogéneos para su utilización en núcleos de presas de materiales sueltos
- Fecha: 2021
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
- Departamentos: INGENIERIA Y MORFOLOGIA DEL TERRENO
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/67785/
- Director/a 1º: OLALLA MARAÑÓN, Claudio
- Resumen: Las presas de materiales sueltos constituyen la tipología más numerosa del mundo. Se trata de obras en cuya construcción, además de los aspectos estrictamente técnicos, deben ser tenidos en cuenta también aspectos económicos y medioambientales que, a menudo, suponen un fuerte condicionante para la ejecución de la presa: la necesidad de emplear en su construcción los materiales presentes en las zonas próximas al vaso y a la cerrada, no resultando viable buscar y transportar dichos materiales desde zonas muy alejadas de la obra. En consecuencia, lo más adecuado sería poder construir una presa con los terrenos presentes en la zona de implantación de la obra, tratando de aprovechar estos suelos que se encuentren en las proximidades de la misma. No obstante, a menudo, los materiales existentes en la cerrada de la presa no son adecuados para su empleo en la construcción. O bien, en caso de que se disponga de suelos de buenas características geotécnicas en las proximidades de la zona de implantación de la presa, con frecuencia, la cantidad de dichos suelos es muy limitada y no se dispone de un volumen suficiente de este tipo de terrenos para cubrir las necesidades de ejecución de la obra. El objetivo de esta Tesis Doctoral ha sido investigar la posibilidad de utilización de suelos heterogéneos, cuyas características en origen (granulometría, plasticidad, permeabilidad, etc.) sean muy variables y, por lo tanto, difíciles de conocer y precisar, para la construcción de núcleos de presas de materiales sueltos. Para este propósito, se ha efectuado un amplio estudio de estos suelos heterogéneos, comenzando por realizar una extensa búsqueda bibliográfica acerca de las propiedades geotécnicas de este tipo de materiales, recopilando casos concretos de presas en las cuales su núcleo fue ejecutado empleando suelos heterogéneos y habiéndose estudiado asimismo los riesgos que puede suponer el empleo de este tipo de terrenos heterogéneos en la ejecución de los núcleos de presas. Se ha proseguido la investigación tomando en campo diversas muestras de materiales heterogéneos, de origen morrénico, que fueron ensayadas en el laboratorio para conocer sus propiedades geotécnicas, las cuales han sido comparadas con las recogidas en la bibliografía técnica consultada. A continuación, se han preparado modelos numéricos por ordenador de núcleos de presas, cuya construcción fue simulada empleando materiales heterogéneos, que fueron utilizados para efectuar diferentes tipos de cálculos. En el primer grupo de cálculos efectuados, se zonificaron los núcleos en diferentes regiones, a las cuales se asignó un valor medio característico de la permeabilidad, igual en toda la región. En concreto, se implementaron zonificaciones de los núcleos en dos y tres regiones, dispuestas tanto en horizontal como en vertical, analizando los resultados de los caudales filtrados a través de estos núcleos y de los gradientes máximos que se producirían en los mismos, para obtener soluciones óptimas de diseño. Seguidamente, en un segundo grupo de cálculos, se realizaron discretizaciones de los núcleos en tongadas, asignando a cada una de ellas un valor diferente del coeficiente de permeabilidad, imponiendo la condición de que la permeabilidad del núcleo, en su conjunto, quedase ajustada a una cierta función de distribución seleccionada previamente. Utilizando estos modelos de los núcleos discretizados en tongadas, se empleó el método estadístico de Montecarlo para efectuar numerosos cálculos, a partir de los cuales se pudieron obtener diversas funciones de distribución de los caudales filtrados a través del elemento impermeable de la presa y de los gradientes máximos que se producirían en el mismo, para cada una de las funciones de distribución de la permeabilidad elegidas. Estas funciones de distribución obtenidas para los caudales de filtración y para los gradientes máximos en el núcleo de la presa, han servido de base para la elaboración de una serie de ábacos para el diseño de dichos núcleos cuya construcción se efectuaría empleando suelos heterogéneos. Los ábacos de diseño elaborados constituyen una herramienta que aporta información acerca del riesgo que se asumiría si se emplease en la construcción del núcleo de la presa cierto tipo de materiales, permitiendo disponer de elementos de juicio a partir de los cuales poder decidir si los suelos heterogéneos existentes en las proximidades de la presa, pese a la gran variabilidad en sus características geotécnicas, podrían ser empleados, en condiciones de seguridad, para la ejecución del elemento impermeable. ----------ABSTRACT---------- Earthfill dams typology is the most numerous in the world. The construction of these dams must consider, in addition to strictly technical aspects, other factors, such as economic and environmental aspects, which often represent a strong determining factor for the execution of the dam: the need to use in its construction the existing materials near the dam site an reservoir zones, not being viable to search and transport materials from areas far away from the dam works. Hence, the most appropriate situation would be to be able to construct a dam using the existing soils near the dam works, trying to make use of these materials located in the dam construction area. However, the existing materials in the dam works area are often not suitable in the dam construction. Or, if soils with good geotechnical characteristics are available in the dam site, the amount of such soils is often very limited and there is not a sufficient volume of this type of material to meet the requirements for the entire dam construction. The objective of this PhD. Thesis has been to investigate the possibility of using heterogeneous soils, those whose characteristics in origin (grain size distribution, plasticity, permeability, etc.) are highly variable and, therefore, difficult to know and to specify, for the construction of earthfill dam cores. For this purpose, a broad study of these heterogeneous soils has been carried out, beginning with an extensive bibliographic search about the geotechnical properties of these heterogeneous materials, compiling specific case studies of dams in which their core was constructed using heterogeneous soils and also analyzing the risks associated with the use of these heterogeneous soils in the dam core construction. The research has continued, obtaining various “in situ” samples of heterogeneous materials, with a morrenic origin, which were later tested in the laboratory to determine their geotechnical properties, which have been compared with those collected in the technical bibliography consulted. Then, numerical computer models of dam cores which construction was simulated using heterogeneous materials, were prepared. These numerical models were used to perform different types of calculations. Initially, in the first group of calculations carried out, the cores of the dams was zoned in different regions and a characteristic mean value of permeability was assigned to each of these regions, the same permeability value throughout the region. Specifically, the zoning of the cores was implemented in two and three regions, set both horizontally and vertically, and the results obtained regarding the seepage flow rates through these cores and the values of the maximum gradients produced in the cores, were analyzed to obtain optimal design solutions. Next, a second group of calculations were carried out, and the cores of the dams were discretised in lifts, assigning to each of these lifts a different value of the permeability coefficient, provided that the set of adopted permeability coefficients in the cores adjusted to a previously selected distribution function. Using these models of the discretised cores in lifts, the Montecarlo statistical method was used to carry out numerous calculations, from which it was possible to obtain various distribution functions of the seepage flow rates through the cores of the dams and various distribution functions of the maximum gradients produced in these cores, for each of the chosen permeability distribution functions. These distribution functions of the seepage flow rates and the maximum gradients in the core of the dam that were obtained, have formed the basis for the elaboration of a series of graphic abaci for the design of these dam cores whose construction would be carried out using heterogeneous soils. The elaborated design graphic abaci constitute a tool that provides information about the risk that would be assumed if certain types of materials were used in the construction of the dam core, allowing to have some elements of information in order to decide whether the heterogeneous soils existing in the dam works areas, despite the great variability in its geotechnical characteristics, could be used, under safe conditions, for the construction of the dam core.