Tema 9 Evaluación y Auscultación de Obras e Instalaciones Hidráulicas PDF

TEMA 9.- EVALUACIÓN Y AUSCULTACIÓN DE LAS OBRAS E INSTALACIONES HIDRÁULICAS 1. INTRODUCCIÓN El objetivo de la auscultación es conocer el comportamiento de la presa y las laderas, valorar continuamente su seguridad y detectar cualquier anomalía que pueda cambiar estas condiciones de seguridad. L...

TEMA 9.- EVALUACIÓN Y AUSCULTACIÓN DE LAS OBRAS E INSTALACIONES HIDRÁULICAS 1. INTRODUCCIÓN El objetivo de la auscultación es conocer el comportamiento de la presa y las laderas, valorar continuamente su seguridad y detectar cualquier anomalía que pueda cambiar estas condiciones de seguridad. La auscultación comienza en la fase de proyecto definiendo los parámetros a analizar en los diferentes puntos críticos de la presa, continua con la obra, y debe estar totalmente operativa en la fase de puesta en carga, puesto que es el momento más crítico de la vida de una presa. La auscultación debe permanecer operativa (limpia, engrasada, calibrada y leída periódicamente) e interpretada mientras la presa y el embalse existan. El proceso de auscultación no concluye hasta que el dato recogido se convierte en información con la elaboración del Informe Anual de Inspección y Auscultación que determina la seguridad de la presa y el embalse. 2. TIPOS DE AUSCULTACIÓN La auscultación más importante de una presa seguramente es la visual, solemos decir que “el sensor de auscultación que más anomalías detecta es el ojo humano”. De forma resumida podríamos decir que para auscultar una presa utilizamos el ojo, si lo que medimos es muy pequeño o está lejos, nos ponemos un aparato topográfico en él y donde éste no puede entrar, metemos los sensores. A continuación se exponen los diferentes tipos de auscultación de presas y embalses: 1. Auscultación Visual o Inspección. Inspección de coronación, paramentos, contacto presa-cimientos, aliviadero, galerías y cámaras, desagües de fondo y tomas, vaso, elementos de seguridad, válvulas y compuertas, elementos de auscultación. 2. Auscultación Topográfica. Control del movimiento Vertical: Nivelación A.P. Control del movimiento Horizontal: Colimación Control del Movimiento Horizontal: Microgeodesia 3. Auscultación Instrumental. En función de la variable medida por el sensor tenemos: a) Naturaleza Hidráulica Aforador Turbidímetro Piezómetro: Abierto, de cuerda vibrante, Neumático Dren: Con/sin manómetro b) Naturaleza Térmica: termómetro eléctrico c) Naturaleza Tensional 103 Tema 9: Evaluación y auscultación de las obras e instalaciones hidráulicas. Extensómetro eléctrico (Rosetas extensiométricas) Célula de presión total d) Naturaleza Deformacional Desplazamiento Horizontal: Péndulo Directo e Inverso, Plomada óptica, Inclinómetro, Extensómetro suelos Desplazamiento Vertical: Célula Hidráulica de Asiento, Medidor de asientos electromagnético, Extensómetro de varillas Giro: Clinómetro En junta: Medidor interno, Medidor externo de junta, Terna e) Naturaleza Sísmica: Sismómetros (velocidad sísmica). Acelerómetros (aceleración). f) Variables Externas: Nivel de embalse Termómetro Pluviómetro de balancín, o pluvionivómetro en los sitios donde hay nieve. Evaporímetro de ultrasonidos, Veleta y anemómetro Piranómetro (radiación solar), Higrómetro. 3. AUSCULTACIÓN VISUAL O INSPECCIÓN. Existen una serie de elementos habituales en la inspección visual: a. Coronación. Se deberá examinar la alineación general de barandillas, bordillos, farolas, los asientos diferenciales entre bloques, el estado general del hormigón: deterioro superficial, estado de muretes, parapetos, pretiles, firme. Especialmente la aparición de fisuras o grietas, el estado de las juntas, los contacto con estribos. b. Paramento de aguas arriba Se revisarán las fisuras, y grietas del paramento especialmente con el embalse vacío, la porosidad, y coqueras del hormigón, el estado de la sonda de nivel, escalas, etc. c. Paramento de aguas abajo Aprovechando los periodos de niveles máximos, señalar en planos todas las juntas, fisuras, grietas y correlacionarlas con las existentes en coronación y paramento aguas arriba, destacando las zonas de humedad: eflorescencias, rezumes, surgencias (aforables). d. Contactos estribos y presa – cimiento 104 Tema 9: Evaluación y auscultación de las obras e instalaciones hidráulicas. Señalar filtraciones, fisuras, vegetación, estado del hormigón. e. Aliviadero Buscar zonas de sobrevertido de cajeros, despegue de la lámina de agua (cavitación) erosión al final del cuenco con el cauce, estado de los elementos de disipación de energía. f.Galerías y cámaras Asegurar ventilación e iluminación de las mismas antes de proceder a la inspección. Inspección de drenes y canaletas y evidenciar residuos sólidos g. Vaso y entorno aguas abajo Localizar zonas de sumidero, remolinos, dolinas, terrenos potencialmente deslizables. h. Sensores de auscultación i. Equipos hidromecánicos en desagüe de fondo, tomas y aliviaderos. j. Elementos de Seguridad 4. AUSCULTACIÓN TOPOGRÁFICA Son tres los controles topográficos habituales a) Control del movimiento Vertical (z). Su objetivo es determinar los asientos de las presas normalmente en coronación o una berma a través de la Nivelación de Alta Precisión. Los equipos consiguen precisiones de 0,6 mm por la raíz de la distancia (km). Para su lectura se establecen líneas de nivelación formadas por puntos de control cada 20 metros aproximadamente, con 6 puntos de control fuera de la presa, en zona estable (tres puntos por estribo). Se sitúan generalmente en coronación, pudiendo situarse en bermas y galerías. (Los puntos de control han de estar al mismo nivel aproximadamente) No se obtiene la altitud de la presa sino la variación de altitud con respecto a un punto fijo situado fuera de la presa. La precisión de un punto de la línea de nivelación depende de la precisión de los puntos anteriores. Figura Nº 1: Fotografía con trabajos de nivelación (izquierda) y gráfica obtenida (derecha). 105 Tema 9: Evaluación y auscultación de las obras e instalaciones hidráulicas. b) Control del movimiento Horizontal (x): Colimación Las presas al aumentar el nivel del embalse se desplazan aguas abajo y recuperan su posición al vaciar. También las presas arco por dilatación térmica al calentarse se desplazan aguas arriba. Este movimiento horizontal de una presa se puede determinar con el Método de Colimación o por Triangulaciones geodésicas (Micro-geodesia). En el Método de Colimación establecemos una línea recta por el eje de la presa a base de Puntos de Control distanciados cada 20-30 m, que son medidos desde dos Pilares de Observación fuera de la presa y preferiblemente situados a mayor altura que la coronación para evitar la reverberación atmosférica. Desde ambos pilares establecemos una visual y comprobamos el movimiento relativo de los puntos sobre la visual mediante una mira móvil. La mira móvil consta de una placa de puntería, pintada de blanco y negro o amarillo, con posibilidad de desplazamiento horizontal mediante tornillos micrómetros, y de una reglilla graduada de 100 mm. con una apreciación de la décima de mm. El conjunto estará montado sobre un soporte con 3 apoyos semiesféricos que encajan en la base, siempre garantizando la misma posición. Generalmente no será aplicable este método en presas cuya coronación supere los 500 metros de longitud o en aquellas de planta curva. Será necesario garantizar que los puntos de control sean solidarios al cuerpo de la presa. Figura Nº 2: Fotografía de pilar de colimación y mirilla móvil c) Control del Movimiento Horizontal (x, y): Microgeodesia Conjunto de métodos topográficos que permiten determinar las coordenadas planimétricas (x, y) de los puntos de control de la presa. Se llama auscultación geodésica porque aplica los mismos métodos que para el cálculo de las coordenadas de los vértices geodésicos (resolución de triángulos mediante la medida de ángulos). Los puntos de control planimétrico consisten en un sistema de centrado forzoso para colocación de prismas o elementos de puntería. Estos sistemas irán montados bien sobre pilares, bien en coronación, o en el paramento de aguas abajo dependiendo de las características de cada presa. 106 Tema 9: Evaluación y auscultación de las obras e instalaciones hidráulicas. Figura Nº 3: Control geodésico de la presa bóveda de Guara (Huesca). 5. AUSCULTACIÓN INSTRUMENTAL En la auscultación instrumental disponemos de un nutrido número de sensores de diferente naturaleza. A continuación vamos a ver los más importantes: 5.1. Sensores de Naturaleza Hidráulica. Dentro de los sensores de naturaleza hidráulica podemos diferenciar cuatro: Aforador Las filtraciones en una presa se pueden producir por el propio cuerpo de presa (juntas horizontales, verticales, materiales sueltos, etc.) contacto con cimientos, estribos, aliviadero, desagüe de fondo, etc. El aforador es el sensor encargado de medir el caudal de filtración. Los más utilizados son los aforadores Thomson que pueden ser triangulares y rectangulares. Figura Nº 4: Aforador Thomson triangular y rectangular Se medirá la altura de agua sobre el labio vertiente con una regleta de lectura manual o con un sensor de ultrasonidos automático. A partir de este dato se obtendrá el caudal Figura Nº 5: Conjunto de aforador automático de ultrasonidos y regleta de lectura manual. Turbidímetro En algunos casos el caudal filtrado tiene sólidos en suspensión, principalmente finos que provienen del cimiento o del cuerpo de presa. La cuantificación de estos materiales es muy importante para prevenir procesos de erosión interna. Piezómetro 107 Tema 9: Evaluación y auscultación de las obras e instalaciones hidráulicas. La presión hidrostática en las presas es un elemento decisivo en los procesos de estabilidad, erosión interna etc. y es importante su determinación. Normalmente esta presión la definimos de diferente manera según la tipología de la presa: - Subpresión: denominamos así a la presión en el contacto presa-cimiento de las presas de gravedad. Su conocimiento nos permite valorar la eficacia de la red de drenaje y la estabilidad de la presa. - Presión intersticial hace referencia a la presión hidráulica en las presas de tierras (en puntos internos del núcleo, filtros, dren, cimiento, etc.). La medición de esta presión se realiza con piezómetros, que pueden ser de varios tipos: Abierto: son perforaciones de poco diámetro (normalmente 76 mm) revestidas con tubería porosa, realizadas hasta la zona a investigar. Se mide el nivel alcanzado por el agua en su interior con una sonda limnimétrica, generalmente de forma manual. Cerrado: es el mismo sistema anterior, pero la boca superior de la tubería se cierra con un manómetro Cuerda Vibrante: introducimos en el terreno un sensor electrónico compuesto por una bobina que genera un campo magnético que hace vibrar una cuerda y registra su frecuencia de oscilación para obtener la presión. Son los más utilizados y los que mejor cumplen su misión sin alterar el entorno y provocar procesos de erosión interna. Neumático (de gas, de agua). Han dejado de suministrarse Figura Nº 6: Fotografía de piezómetro cerrado de cuatro grifos o vías con manómetro, dren y piezómetro de cuerda vibrante (izquierda) y detalle de piezómetro de cuerda vibrante (derecha). Dren: Con/sin manómetro Los drenes en el cimiento de las presas de gravedad se utilizan para aliviar las subpresiones que afectan a la presa. Es un dato importante ya que permite conocer la eficacia de la red de drenaje y el comportamiento de la pantalla de impermeabilización. Lo más aconsejable es obtener el dato de subpresión con piezómetros de cuerda vibrante colocados aguas abajo de la red de drenaje y a un metro de profundidad en el contacto presa-cimiento, pero está bastante extendido utilizar los drenes como si fueran piezómetros. Para ello se colocan cabezales sobre el dren disponiendo de una llave de tres vías, con posiciones de cerrado, abierto (drenando) y de lectura midiendo la presión con un manómetro en kp/cm2. 108 Tema 9: Evaluación y auscultación de las obras e instalaciones hidráulicas. Como se ha indicado un dren siempre debe estar abierto para poder realizar su función de alivio de la subpresión y sólo cerrarse puntualmente para realizar su lectura. No es aconsejable cerrar al mismo tiempo todos los drenes que afecten a un mismo bloque, prefiriendo hacerlo secuencialmente. 5.2. AUSCULTACIÓN TÉRMICA. La medición de temperaturas, tanto del ambiente como del interior de la presa, tiene una gran importancia en el cálculo de tensiones en las presas de hormigón. El hormigón en masa como consecuencia de las variaciones térmicas (los paramentos de la presa están expuestos directamente a la energía solar en épocas calurosas y a las bajas temperaturas y viento muy frío invernales) padece procesos de expansión o retracción que le hace sufrir tensiones inducidas pudiendo originar tracciones con peligro de fisuración Para la medición de la temperatura en el interior de las presas de hormigón y para conocer su distribución durante las fases de construcción y explotación, se dejan embebidos termómetros de resistencia fundamentalmente en los bloques de mayor altura y en los de los estribos. Figura Nº 7: Isotermas en una presa bóveda en diferentes períodos. 5.3. AUSCULTACIÓN SÍSMICA. La Red Sísmica Nacional tiene instalados 80 sismógrafos que determinan los sismos de magnitud superior a 3, que son los percibidos por el hombre y por debajo de los cuales no hay afección a infraestructuras. Esta red nos alerta de los terremotos que afectan a nuestras presas cuando se superan nuestros umbrales. Además el Reglamente de Seguridad de presas y embalses determina que se deben considera los efectos producidos por la posible sismicidad inducida por el embalse. En aquellos casos que sea de prever dicha sismicidad inducida, se deberá instalar una red de microsismicidad específica para la presa y el embalse con la instalación de sismógrafos de alta sensibilidad. Para poder medir los efectos que los terremotos tienen en las infraestructuras se instalan los acelerómetros. En las presas ubicadas en zonas sísmicas se instalan normalmente tres acelerómetros: en coronación, cimiento de parte central de presa y estribo. 109 Tema 9: Evaluación y auscultación de las obras e instalaciones hidráulicas. 5.4. AUSCULTACIÓN TENSIONAL. En las presas de gravedad los asientos diferenciales producen tensiones tensiones en la estructura que debemos medir así como los esfuerzos transmitidos al cimiento tanto en éstas como en las de materiales sueltos. Estos parámetros parámetros los podemos medir con varios sensores: Extensómetro eléctrico (Rosetas extensiométricas). Determinar tensiones en el cuerpo de una presa de hormigón aplicando la teoría elástica partiendo de las deformaciones unitarias medidas en varias direcciones y las constantes mecánicas propias del medio a controlar (módulo de Young, Young, coeficiente Poisson, etc.). Célula de presión total Una célula mide la presión ejercida en dirección perpendicular a su plano. Se utiliza en las presas de fábrica y materiales sueltos para conocer los esfuerzos transmitidos al cimiento. Figura Nº 8: Esquema de célula de presión total y sus elementos 5.1. AUSCULTACIÓN DEFORMACIONAL Los movimientos de una presa debidos a su peso propio, efectos térmicos, presiones del agua, y adaptación al terreno, pueden producir deformaciones en su estructura que hay que controlar. La medida de estas deformaciones se realiza con técnicas topográficas y con sensores. Los movimientos más habituales a determinar en las presas son los siguientes: a) Desplazamiento Horizontal. Para medir los movimientos horizontales podemos utilizar: Métodos Topográficos (Colimación y Microgeodesía), ), Péndulo Directo e Inverso, Plomada óptica, Inclinómetro, Extensómetro suelos. 110 Tema 9: Evaluación y auscultación de las obras e instalaciones hidráulicas. Péndulos Como consecuencia del llenado del embalse la presa de desplaza aguas abajo y al desembalsar se desplazar aguas arriba. Con el tiempo cálido las presas arco y bóvedas se dilatan aumentando su volumen y desplazándose aguas arriba, al enfriarse se invierte este proceso. Este movimiento en la dirección del eje del río, se denomina radial y el movimiento entre estribos o perpendicular al eje de la presa, lo denominamos tangencial. Época Situación Desplazamiento Verano - otoño Embalse Vacío Aguas/ Arriba Dilatación Invierno- primavera Embalse lleno Aguas/ Abajo Retracción Figura Nº 9: Esquema de desplazamientos horizontales en una presa. Los péndulos sirven para medir el movimiento horizontal radial y tangencial de una presa de hormigón, distinguiéndose dos tipos de péndulos: directo, e invertido o inverso -Péndulo directo. El péndulo directo permite medir movimientos horizontales de la presa respecto a un punto superior colocado cerca de coronación. Consta de un hilo de acero situado en un pozo vertical, anclado en su extremo superior a la estructura y en su extremo inferior a un peso con aletas inmerso en un depósito relleno de aceite. Esta disposición asegura la verticalidad del hilo. -Péndulo invertido o inverso El péndulo invertido permite medir movimientos respecto a su punto inferior empotrado por debajo de la presa. Consta de un hilo de acero inoxidable cuyo extremo inferior está unido a un anclaje ubicado en el interior de un sondeo vertical a 15 m del contacto presa- cimiento, y cuyo extremo superior se fija a un flotado solidario a la presa. La unidad de flotación está formada por un recipiente de acero con un flotador en baño de aceite y está diseñada de tal forma que permite mantener el hilo en tensión sin que el movimiento de la estructura altere su posición. Figura Nº 10: Esquema del péndulo Directo e Invertido o inverso 111 Tema 9: Evaluación y auscultación de las obras e instalaciones hidráulicas. La lectura de estos equipos se puede realizar con Lectura Manual (Coordinómetro o Plancheta mecánica) y con Lectura Automática por Palpador (capacitivos, resistivos, magnéticos), Láser u Óptico. La lectura manual consta de un calibre o “pie de rey” manual o digital y un espejo. La medición correcta se realiza lanzando una visual por la ranura del visor del calibre, de forma que queden alineados el hilo y el reflejo del mismo en el espejo. Para mayor exactitud, en la lectura se debe escoger un lado de ajuste (en el ejemplo de las presas de la Confederación Hidrográfica del Ebro se escoge arbitrariamente el izquierdo) y la medición de dos lecturas debe diferir < 0,3 mm. Figura Nº 11: Lectura manual de péndulo 112  Inclinómetro. Sensor que mide movimientos horizontales en dos ejes perpendiculares (x, y) a través de ángulos de desviación respecto a una vertical. Se utiliza en la determinación de movimientos o deslizamiento de terrenos (laderas o presas de materiales sueltos). Consta de una tubería de aluminio o PVC con cuatro acanaladuras que se introduce solidaría con el terreno mediante lechada de cemento. Por ella se mete una sonda o torpedo que hace registros cada 0,50 m. b) Desplazamiento Vertical. El asiento de una presa podemos medirlo con Métodos Topográficos (Nivelación de Alta Precisión), con Célula Hidráulica de Asiento, Medidor de asientos electromagnético, Extensómetro de varillas, etc. Célula Hidráulica de Asientos. Mide desplazamientos verticales o asientos en presas de materiales sueltos y terraplenes. Se basa en el principio de vasos comunicantes. Consta de una Célula que se coloca en el punto a medir de la que salen tres tubos (drenaje, desaireación, y nivel de agua) hasta un Panel de lectura. El interior de la célula consiste en un vaso, un orificio de drenaje y otro orificio superior para la entrada de aire, dotado de una válvula antirretorno que evita que interfiera en la función de drenaje. El vaso se llena por el orificio de entrada situado en su interior. Se inyecta agua hasta que en el panel de medida se observa que por el drenaje no retornan burbujas de aire. En este momento se cierra la comunicación del vaso con el panel de medida y se inyecta aire por el orificio superior. De esta forma se vacía toda la célula a través del drenaje, a excepción del vaso. Figura Nº 12: Funcionamiento de célula hidráulica de asientos. c) Giro del bloque de presa. Clinómetro Sirven para deducir giros de la estructura (por ejemplo los que se pueden producir a embalse lleno por asiento del pie aguas abajo de la presa, que es la zona más solicitada). Normalmente se utiliza en presas de hormigón. d) Movimientos en junta. 113 Tema 9: Evaluación y auscultación de las obras e instalaciones hidráulicas. Los desplazamientos de una junta entre bloques, entre cuerpo de presa y aliviadero, control de fracturas en rocas, se pueden medir de varias formas: Medidor interno, y Medidor externo de junta: Unidimensional, Terna y Tridimensional Tipos de Medidores de Junta Externos: Unidimensional (2 Bases de medida): mide la apertura/cierre de la junta entre dos bloques (movimiento x) Ternas (3 Bases de medida): mide la apertura/cierre de la junta y el deslizamiento de un bloque sobre otro (movimiento x, z) Tridimensional: mide la apertura/cierre, el deslizamiento de un bloque sobre otro y el movimiento horizontal según el eje del río (movimiento x, y, z). Figura Nº 13: Elongámetro midiendo una terna (izquierda), comparador (central) y medidor de junta tridimensional (derecha). Los equipos de lectura manual de los medidores unidimensionales y ternas se denominan Elongámetro o Defórmetro y puede ser digital o analógico. Las juntas tridimensionales se miden manualmente con Comparadores y todas ellas pueden medirse con sensores automáticos que pueden ser resistivos o LVDT. 5.2. VARIABLES EXTERIORES. En todas las presas se mide continuamente el nivel de embalse. Es necesario saber su valor para poder conocer el volumen de agua embalsada, su velocidad de ascenso y su relación con los sensores de auscultación. Las variables exteriores auscultadas son: - Temperatura ambiente: Permite comprobar las temperaturas de la presa que no está en contacto con el agua y su evolución en el interior de la misma. - Temperatura del agua del embalse: Permite comprobar la evolución de las diferentes capas que conforman el embalse. - Precipitaciones en forma de lluvia y nieve, humedad relativa, y presión atmosférica. Permite medir la precipitación de lluvia en la presa y en la cuenca vertiente al embalse. - Velocidad y dirección del viento: Permite ver la influencia en la presa de la temperatura. - Evaporación: Permite medir la evaporación de la superficie del embalse 6. REFERENCIAS - Colegio de Ingenieros de Caminos. Monografía: Auscultación de Presas y sus Cimientos. - Vallarino Canovas, E. Tratado Básico de Presas. 114