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8/17/2019 OVR - Artículo CCR Para IC

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¿En qué consiste el concreto rodillado, concreto compactado con rodillos o CCR, cómo secompara con el concreto hidráulico convencional, qué ventajas tiene para su utilización en presas, cuál es el estado actual de la técnica de su diseño y construcción? En los siguientes párrafos intentaremos dar algunas respuestas a esas preguntas.

Las presas de concreto.

La ingeniería y la construcción de presas de concreto hidráulico a base de cemento pórtlandhan evolucionado mucho a lo largo de los más de cien años transcurridos desde que seterminó la primera en Suiza (Maigrauge, cantón de Friburgo, 1872). A medida que la práctica y la investigación fueron produciendo un mejor conocimiento de las propiedadesdel cemento pórtland y del concreto hidráulico, la ingeniería de presas las fue tomando encuenta en el diseño y ejecución de obras de distinto tipo y de mayor envergadura, como la presa Hoover en el río Colorado (19364), arco-gravedad de 221 m de altura que en sutiempo marcó un hito en la historia de la ingeniería, la Grande Dixence en Suiza (1961),

presa de gravedad que con sus 285 m es la más alta presa de concreto del mundo, o la presaGrand Coulee (1942), en el río Columbia, que cubica más de 9 millones de metros cúbicosde concreto. Otros notables avances en la ingeniería a lo largo del tiempo han sido las presas de contrafuertes de varios tipos, como la Daniel Johnson, presa de 214 m de bóvedasmúltiples en el río Manicouagan, Québec, o las de Ancipa, en Sicilia, y de Alcántara, sobreel Tajo, de contrafuertes huecos, y las de bóveda delgada como Vaiont, en Italia, de 262 mde altura. La presa de concreto más común es la de gravedad, pues se adapta másfácilmente a las características de muchos sitios.

Cuando las condiciones topográficas y geológicas del lugar son adecuadas, las presas deconcreto tienen grandes ventajas sobre las de tierra y enrocamiento, ya que el concreto, alcontrario de lo que ocurre con los materiales sueltos, admite que el agua escurra sobre él sin

erosionarlo. Por esto en general es posible integrar en la presa propiamente dicha, ocortina, las obras de desvío, de toma, de control y de excedencias, lo que hace innecesariasotras estructuras, usualmente de importancia y costo considerables, construidasespecialmente para alojar esas obras cuando la presa es de otros materiales. Por otra parte,estadísticamente las presas de concreto parecen ser más seguras, pues ya hace 50 años queocurrió la última falla de una presa de concreto (Malpasset, en el sur de Francia, por unafractura no detectada en la roca de apoyo), en tanto que en ese lapso se han registradomuchas fallas en presas de tierra y enrocamiento, como la de la presa Teton, en Idaho, quefalló totalmente por tubificación en 1976 durante su primer llenado, o la de Campos Novos, presa de enrocamiento con cara de concreto en el sur del Brasil, que tuvo una importantefalla también durante su primer llenado en 2006.

Las presas de concreto rodillado (CCR).

A pesar del desarrollo de técnicas modernas de fabricación, transporte y colocación delmaterial, la construcción de una presa de concreto convencional es tardada, especialmente por el tiempo ocupado en la compactación mediante vibradores de inmersión, así como por

4 Las fechas corresponden al año de terminación.


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las dilaciones debidas a la necesidad de juntas verticales de contracción y al tratamiento delas juntas entre hiladas de colado. Algunos intentos de evitar esos inconvenientes sehicieron durante muchos años, pero el más notable, real precursor de las presas de CCR, fuela presa de Alpe Gera, en el norte de Italia (1964), en que se colocó concreto de bajo

contenido de cemento de un lado al otro de la boquilla, dejando muy poco tiempo entre elcolado de una capa y otra, y los vibradores se montaron en tractores, en baterías de cuatro.Siendo inaceptablemente permeable el concreto utilizado, la estanqueidad se logrómediante láminas de acero delgadas colocadas en la cara de aguas arriba de la presa.

Hablando de las primeras presas de CCR, la construcción de Shimajigawa ocupó dos años,y consistió básicamente en la colocación de 317,000 metros cúbicos de concreto, en sumayor parte concreto rodillado que constituyó el cuerpo mismo de la presa, sobre unacimentación de concreto convencional, material que también se usó para formar las caras deaguas arriba y de aguas abajo. Por su parte, en Willow Creek se utilizaron 315,000 metroscúbicos de concreto rodillado en el cuerpo de la presa, incluyendo la rápida del vertedor yel tanque amortiguador, ocupándose concreto convencional únicamente en los elementos

prefabricados que formaron el paramento de aguas arriba de la presa y en algunos detalles.A partir de estas dos obras, las presas de CCR fueron integrándose al acervo técnico comúnde la ingeniería de presas y de su construcción como un producto tecnológico de laevolución natural de la presas de concreto, que conserva todas sus ventajas y añade otrasmuy importantes, que ya mencionamos: la mayor rapidez en la ejecución de las obras y elmenor costo total. A lo largo del tiempo, la experiencia y la investigación han producidomejoras en los materiales, en los conceptos de diseño y en los procedimientos deconstrucción, que han hecho que el número de presas de CCR aumente primero paulatinamente y después con velocidad creciente en todo el mundo. En efecto, en 1988había apenas diez presas de este material construidas, casi todas en los Estados Unidos,mientras que en 2003 ya había 250 en 40 países y actualmente son más de 500 las grandes

presas de CCR terminadas o en construcción en el planeta.Las más altas presas de concreto compactado con rodillos son de gravedad, siendo la mayorla Miel I, en Colombia, de 188 m de altura (2003), aunque que a la fecha debe haberseterminado la presa de Guangzhao, de 196 m, y se encuentra en proceso de construcción lade Longtan, de 192 m, ambas en China. Hay muchas otras presas de CCR actualmente enconstrucción en diversos países, 22 de ellas de más de 120 m en China, Japón, Marruecos,Argelia, España, Birmania y Vietnam. Se sumarán pronto las presas mexicanasmencionadas: El Realito, de 90 m de altura, sobre el río Santa María, Gto. paraabastecimiento de agua a San Luis Potosí, cuya construcción se ha iniciado; El Zapotillo, de130 m de altura, sobre el río Verde, Jal., para abastecimiento de la Ciudad de León, Gto. yde 22 localidades de Los Altos de Jalisco, en proceso de licitación; Arcediano, en laconfluencia de los ríos Verde y Santiago, para abastecimiento de Guadalajara, actualmenteen estudio y que puede llegar a los 170 m de altura; Picachos en el río Baluarte, de 80 m, para riego de 22 000 ha, en Sinaloa y Canhondo (Múgica), de 98 m, en el río Cupatitzio (ElMarqués), para beneficio de 30 000 ha, en Michoacán.

A continuación comentaremos algunos aspectos importantes del material CCR, sus propiedades y su uso en las presas.


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El material.

El CCR se ha definido como “un concreto de consistencia seca, de revenimiento nulo, quese coloca en forma continua y se compacta con el paso de rodillos vibratorios”.

Hablando en primer término de la dosificación de cemento, las primeras presas de estematerial utilizaron mezclas de muy bajo contenido de cemento. Por ejemplo, en WillowCreek la mezcla básica tenía sólo 47 kg de cemento y 19 kg de cenizas volantes por metrocúbico de concreto. Sin embargo, actualmente se distinguen varias clases de CCR. Según laComisión Internacional de Grandes Presas, las mezclas de este material para presas seclasifican comúnmente en tres grupos, según el contenido unitario de cementantes (cementomás aditivos minerales tales como puzolanas o cenizas volantes) : mezclas “pobres”, de bajocontenido de cementantes (< 100 kg/m3), mezclas “ricas”, de alto contenido de cementantes(> 150 kg/m3), y mezclas “intermedias”, con contenido medio de cementante (entre 100 y150 kg/m3). Consideración aparte merece el RCD (rolled concrete for dams) que se utilizaen Japón siguiendo normas especiales.

El mayor conocimiento y los avances en la tecnología del concreto ha llevado a queactualmente se tienda a un mayor uso de mezclas “ricas”, y a un mayor contenido de puzolanas, como se ve en los datos de las 14 presas de más de 120 m de altura enconstrucción en Asia, Europa y África a finales del 2008, pues 18 de las 21 mezclasutilizadas tienen más de 150 kg, y 6 de ellas aun sobrepasan los 200 kg de cementantes pormetro cúbico de concreto. Es importante destacar que en la mayor parte de las mezclas elcontenido de puzolanas o cenizas es de 20 a 40% mayor que el de cemento pórtland. Elcontenido promedio de cemento en las mezclas utilizadas en esas presas es de 77 kg/m3, entanto que el de puzolanas es de 100 kg/m3. Este tipo de mezclas produce de manera naturaluna reducción en la temperatura máxima que alcanza el concreto, por el desfasamiento enel pico de producción de calor de hidratación de las puzolanas en relación con el del

cemento, además de que en general las puzolanas generan menor calor que el cemento alhidratarse, todo lo cual, en su conjunto, ayuda a reducir la necesidad de dejar juntas decontracción en la estructura.

En cuanto al contenido de agua de la mezcla, de manera semejante a lo que ocurre con lossuelos, hay un contenido de humedad óptimo, que permite obtener la densidad y resistenciamáximas con el proceso de compactación. Así, más que la relación agua / cemento (oagua / material cementante, a/mc) tiene importancia el volumen de agua por metro cúbicode concreto. Éste queda determinado sobre todo por la trabajabilidad necesaria del concretofresco, en lo que mucho influyen el tamaño máximo y la forma individual de los agregados,y por su reacción a la compactación. El contenido de agua conveniente, traducido a relacióna/mc, puede variar desde 0.4 hasta más de 1.5. Debe notarse que los valores altos se deben

más al uso de poco cementante que al de una cantidad grande de agua.Por su parte, la tendencia en el tamaño máximo nominal de los agregados gruesos es norebasar los 50 mm, especificándose generalmente de 38 mm, aunque en las primeras presasde CCR se utilizó agregado hasta de 76 mm de tamaño máximo y aún mayor en algunas deellas. El uso de agregado máximo de menor tamaño influye favorablemente en la mezcla,dando menor posibilidad de segregación, mejor adhesión en las juntas, posiblemente mayordensidad y menor permeabilidad, y su efecto en una menor resistencia es relativamentedespreciable. Siempre es conveniente, como en el concreto convencional, buscar una


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Fabricación, transporte y compactación del CCR.

En general es preferible utilizar equipos de dosificación automatizados y mezcladoras demezclado continuo, para obtener un material que se acerque a una razonable homogeneidaden toda la obra. Por eso, y por la menor posibilidad de segregación, es mejor pensar en

revolvedoras o mezcladoras de caja, tipo batidora, que en las de trompo o tambor.Para el transporte de mezclas secas es común usar camiones de volteo, pero en cualquiercaso conviene estudiar la posibilidad de utilizar bandas, que proporcionan ventajas derapidez, continuidad y flexibilidad en el transporte del material a cualquier parte de la obraen construcción. Las mezclas secas admiten fácilmente el paso de los camiones sobre ellassin deformación, pero hay que tener cuidados especiales con las más húmedas.

Naturalmente, la colocación en un tiempo corto después del mezclado es muy conveniente,y ésta se hace en forma continua, en capas de 25 ó 30 cm de espesor, extendiendo elmaterial con bulldozer de un lado al otro de la boquilla, contra la excavación hecha en lasladeras, debidamente tratada, y de un lado al otro de la sección de la presa, contra una

cimbra o contra alguna pantalla o cubierta formada con elementos prefabricados, que quedafinalmente integrada con la cortina.

Aunque en alguna presa se ha utilizado un sistema de placas vibratorias colocadas sobrecada capa de concreto, la compactación se hace de manera casi estandarizada con varias pasadas de rodillos lisos vibratorios de 10 toneladas, cuyo número se define en el bordo de prueba. Es importante proceder a la compactación de una capa inmediatamente después desu colocación, y a la colocación de la siguiente capa lo más pronto posible después decompactada la anterior, para lograr el proceso continuo en que consiste uno de los principales atractivos del CCR, pues se logran tasas medias de colocación de 3 000 a 4 000metros cúbicos por día en boquillas no muy amplias, y mayores, obviamente, en sitios conmayor facilidad de movimiento de equipo.

Adherencia entre capas.

El concepto mismo del diseño de una presa de concreto es su trabajo monolítico, por lo quela liga entre las capas debe ser suficientemente firme. Esto es esencial, de lo contrario las juntas entre capas se convierten en planos de debilidad y se pierde totalmente el conceptode trabajo estructural monolítico supuesto durante el diseño de la presa. Cuando se lograuna buena liga entre las capas, esto puede observarse en muestras extraídas del concretoendurecido, en las que no se distingue la junta entre dos capas sucesivas.

Cuando el CCR utilizado es del tipo “pobre” o “intermedio”, la mezcla es muy seca, y esdifícil que se produzca una buena adherencia entre dos capas de colado, por lo que, para

evitar que las juntas horizontales entre capas impidan el trabajo monolítico de la presa,suele utilizarse una mezcla especial de mortero o concreto “de liga”, extendida a lo largo detoda la superficie del concreto de una capa, antes de colocar sobre ella la siguiente. Lamezcla de liga garantiza el comportamiento estructural monolítico, contribuye a laestabilidad y tiene un efecto benéfico sobre la impermeabilidad. Las mezclas “ricas”

usualmente no requieren el tratamiento de las juntas con mezclas de liga, pero en todos loscasos es muy conveniente observar el resultado en las muestras obtenidas del bordo de prueba.


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Impermeabilidad.

La mayor parte de las presas deben resultar suficientemente libres de filtraciones, que provocan pérdidas de agua y dan mal aspecto al verse húmedo el paramento de aguas abajo,además de inducir la presencia de presión hidrostática interna (presión de poro) que es un

factor de reducción de la estabilidad y debe compensarse con un incremento en la masa, yen consecuencia en el volumen de materiales de la presa.

El CCR bien construido alcanza coeficientes de permeabilidad del orden de 10 -8 a 10-6 cm/sen el caso de mezclas “pobres”, y en alguna presa se ha medido una permeabilidad tan bajacomo 10-13 cm/s en el interior del material, pero el problema principal se encuentra en las juntas entre capas de colado.

Aunque las mezclas de liga ayudan a resolver ese problema, normalmente se utiliza algúntipo de pantalla impermeable en el paramento de aguas arriba de la presa, sobre todo si éstaes de concreto “pobre” o “intermedio”. Entre otras soluci ones, esa pantalla puede ser a basede elementos prefabricados que quedan formando parte de la misma cortina, que se diseñan

de modo que permitan fácilmente el uso de asfalto para la impermeabilidad, o la colocaciónde una membrana plástica que recubra la cara de la pantalla en contacto con el agua. Otrasolución que también se acostumbra es colar una zona angosta de concreto convencional,en la cara de aguas arriba, que viene a servir así de pantalla impermeable, y colar el CCRdel cuerpo de la presa contra esa zona. De cualquier manera, es costumbre poner una red dedrenes formados en la masa del concreto inmediatamente aguas abajo de la membrana o pantalla impermeable, conectados a galerías dejadas dentro de la cortina, que interceptenlas filtraciones que puedan producirse e impidan la aparición de la presión hidrostáticainterna o subpresión.

En la roca de cimentación, dependiendo de sus características, de manera semejante a las presas de concreto convencional, es común igualmente crear una pantalla profunda de

impermeabilización a base de inyecciones de lechada de cemento hechas en barrenos adhoc, y una red de drenes perforados aguas abajo de la pantalla, conectados a las galerías dedrenaje construidas dentro de la cortina y de las laderas.

Juntas de contracción.

La combinación de la temperatura ambiente con la de la mezcla al momento de sucolocación, aunada a los efectos térmicos de la hidratación de los cementantes provoca,igual que en el concreto convencional, una generación de calor que produce dilatación de lamasa del material, en tanto que al irse enfriando la masa hasta alcanzar la temperaturamedia del aire y del agua embalsada se produce una contracción que puede llevar a

inconvenientes agrietamientos de la presa. Cuando las condiciones climáticas sonfavorables y las mezclas del CCR se diseñan con el objetivo de controlar totalmente elfenómeno térmico (mezclas pobres con buena proporción de puzolanas), las presas de estematerial pueden construirse totalmente sin dejar juntas de contracción transversales a la presa.

Si se usan mezclas intermedias o ricas y/o si las características climáticas del sitio sondesfavorables, las juntas de contracción son indispensables. Para determinar su necesidad,número y posición, en la etapa de proyecto se hacen estudios detallados de la generación de


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calor dentro de la masa del concreto, su difusión y su disipación, considerando precisamente las propiedades de la mezcla que se pretende utilizar en la obra. La ejecuciónde las juntas en la obra se hace generalmente cortando el concreto con una cuchilla o sierraespecial, desde el paramento de aguas arriba hasta el de aguas abajo.

Diseño de la presa.

Aunque se han construido ya algunas presas-bóveda de CCR y hay alguna propuesta paraconstruir una presa de contrafuertes de este material, nos limitaremos a comentar losaspectos generales del diseño de una presa de gravedad.

La sección transversal típica de una presa de gravedad de CCR tiene como base la figura deun triángulo rectángulo, vertical del lado de aguas arriba e inclinado en su cara de aguasabajo, con un talud (horizontal/vertical) de 0.8 a 0.85:1 y con su vértice superior a laelevación del máximo nivel esperado del agua en el embalse (NAME). Esa figura secompleta con un bloque en su parte superior que permite dar el ancho de corona y el bordo

libre necesario, y puede también ponerse una escarpa en el talón, como se ilustra en lafigura. De las presas de más de 120 m actualmente en construcción, el 50% tienen el talónescarpado con un talud del orden de 0.2:1.

La sección vertedora de la cortina que servirá como obra de excedencias, con su descargadirigida hacia el cauce original del río aguas abajo de la presa, puede diseñarse con unrevestimiento de concreto armado convencional en la rápida de descarga, ancladoconvenientemente al CCR de la masa de la presa. Debe cuidarse que las condicioneshidráulicas del flujo no sean tales que pueda aparecer cavitación en el concreto,disponiendo en su caso el o los aereadores necesarios para evitarla. Otra alternativa esaprovechar la colocación del concreto, que se hace por capas, de manera de proyectar quela cara de aguas abajo sea escalonada en la sección vertedora y el agua vertiente descienda

por la escalera así formada, con algunas posibles ventajas en la disipación de la energía yalgunos posibles problemas de erosión de las aristas de los escalones de concreto (esteterminado escalonado también se ha usado en la cara de aguas abajo de la sección novertedora de algunas presas de gravedad de CCR ya construidas). En cualquier caso, si elvertedor debe funcionar como obra de control, no hay problema en instalar las compuertasy sus pilas de apoyo en la parte alta del cimacio, como en las presas de concretoconvencional.

En cuanto a las obras de toma, su disposición más adecuada en estas presas es con las bocatomas colocadas en estructuras adosadas a la cortina, formando realmente parte de lamisma, individuales o en forma de torre, con conductos rectangulares de concreto

convencional reforzado atravesando de la masa de la presa, construidos cuando lacolocación del CCR alcance la elevación correspondiente. Eventualmente, cuando ladescarga de la toma deba ser a presión, los conductos serán cuadrados y alojarán en suinterior a las tuberías de acero necesarias, programando la construcción de forma quequeden embebidas en concreto. Todo esto es aplicable a los conductos de desagüe de fondoy a las obras de control para las presas de tormenta o rompepicos, como las muchas que seconstruyeron en el poniente del Valle de México hace decenios o la de Corral de Palmas,ésta precisamente construida de CCR, en las cercanías de Monterrey.


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Una de las cualidades ventajosas de las presas de concreto, que se mantiene totalmente enlas presas de CCR, es la relativa facilidad del manejo del río durante la construcción.Exceptuando casos aislados en que el gasto de la corriente se mantiene alto aun durante lasépocas de estiaje y la boquilla es muy angosta, o las excavaciones para desplante en el

fondo del cauce tienen que ser muy profundas para alcanzar la roca sana, no se necesita pensar en túneles para el desvío de la corriente, que suelen resultar tardados y costosos. Lamejor solución para la obra de desvío consiste en uno o varios conductos de concretoreforzado construidos en combinación con la colocación del CCR, al nivel del fondo delcauce, que se cierran finalmente con facilidad si se han dejado preparaciones para agujas ocompuertas. Estos conductos, en algunos casos, pueden dejarse huecos, si el cálculodemuestra que no es necesario rellenarlos de concreto.

Comentario final.

Las presas de CCR son, hoy por hoy, una alternativa funcional, económica, segura y de

construcción expedita y no especialmente compleja, que compite favorablemente con otrostipos de presa en muchos casos, y que ha tenido importantes avances tecnológicos en los 30años transcurridos desde que se construyeron las primeras obras de esa clase. Es muy buenoque la ingeniería de presas mexicana las esté tomando en cuenta para varios de sus proyectos más importantes.

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