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Voto:

Continente: América

País: Canadá

Localización:

Año: 1963-1968

Estado: Terminado

Descripción:La presa W. A. C. Bennett es una gran presa hidroeléctrica rellena de tierra en el río de la Paz en el norte de la Columbia Británica, Canadá. La presa, ubicada a 19 kilómetros al oeste de Hudson's Hope, y 85 kilómetros al noroeste de Chetwynd, recibe su nombre del anterior primer ministro de Canadá William A. C. Bennett y se puso en funcionamiento en el año 1968. Durante el planeamiento y la fase de construcción se le llamó "Portage Mountain Development."

El complejo está formado por una presa principal de materiales sueltos, que produce el embalse llamado lago Williston, y la central eléctrica subterránea Gordon M. Shrum. Es capaz de generar 2.730 megavatios de electricidad en su máxima capacidad. La presa está construida a 660 msnm.

La presa del río de la Paz fue inicialmente concebida hace más de medio siglo por la compañía eléctrica de la Columbia Británica (hoy BC Hydro), bajo la dirección de Dal Grauer. B.C. Electric obtuvo las licencias necesarias y los títulos sobre la tierra para seguir adelante con el proyecto, terminó el diseño e hizo los preparativos para ponerse a trabajar en el lugar a partir del año 1963. No obstante, los activos de esa compañía eléctrica privada fueron expropiadas por el gobierno provincial justo cuando iba a empezar la construcción de la presa. Varios de los ejecutivos superiores de B.C. Electric dejaron la recientemente creada Crown Corporation, B.C. Hydro, y la construcción se llevó a cabo con una nueva administración.

http://es.wikipedia.org/wiki/Presa_W._A._C._Bennett

http://en.wikipedia.org/wiki/W._A._C._Bennett_Dam

http://www.ourbc.com/travel_bc/bc_cities/alaska_highway/hudsons_hope.htm

4. ANÁLISIS PRESA BENNETT

4.1 Generalidades

En el curso alto del río Peace, en la provincia de Columbia Británica, se encuentra la Presa de W.A.C Bennett que embalsa el agua del Lago Williston, y permite la generación de energía de una Central Hidroeléctrica de 2730MW (ver Figura 1).

En 1967 se terminó de construir la presa, el proceso de llenado fue a una razón de 14 m/mes los primeros ocho meses y 1.3 m/mes los siguientes meses, completando el llenado de la presa en un tiempo de tres años. En el año 1983 se detectó que muchos de los piezómetros ubicados en el núcleo disminuyeron sus presiones a partir del año 1974. Sin embargo fue en 1996 que se observó la aparición de agujeros en el coronamiento de la presa, signos del fenómeno de la erosión interna.

4.2 Geometría

La presa Bennett es una presa de relleno zonificada con un núcleo impermeable, tiene una altura aproximada de 180m y un ancho basal de 820m. Está compuesta de 6 tipos de relleno que se presentan en la Figura 2.

Figura 2: Corte transversal presa Bennett

La cota máxima de operación del embalse da como resultado una altura de agua aproximada de 170m, que fue la considerada para el análisis.

4.3 Zonificación

La presa Bennett esta compuesta por seis tipos de rellenos, las características de cada uno de ello se presentan en la Tabla 1.

Tabla 1: Propiedades de los tipos de relleno de la presa Bennett

Zona

Tipo de suelo

Densidad [ton/m3]

Cond. Hidráulica [m/s]

1

Núcleo

2.26

2x10-8

2

Transición

2.35

1x10-6

3

Filtro

2.40

1x10-5

4

Dren

2.00

1x10-2

5

Relleno permeable

1.94

1x10-2

6

Espaldón

2.38

2x10-7

4.4 Modelo de flujo de agua a través de la presa

Con la finalidad de estudiar las características del flujo de agua en la presa de tierra Bennett, se realizó un modelo de elementos finitos con el programa PHASES. En el modelo se consideraron las características hidráulicas de los distintos suelos involucrados, así como se incorporaron las características geotécnicas, con el propósito de calcular las tensiones efectivas en la presa de tierra producto del flujo de agua en ella. En la Figura 3 se muestra el modelo desarrollado.

Figura 3: Modelo presa Bennett desarrollado con el programa PHASES

Buscando disminuir la influencia de las condiciones de borde del suelo bajo la presa, se consideró una longitud de dos veces el ancho de la presa para cada lado en horizontal y dos veces la altura de la presa en vertical. Las condiciones de borde hidráulicas del problema fueron la cota del embalse aguas arriba y aguas abajo se impuso que la napa estuviera al pie de la presa. Así también se consideró el suelo de fundación con una conductividad hidráulica baja, buscando favorecer el flujo por el cuerpo de la presa.

4.5 Resultados

Replicando la metodología usada durante el diseño de la presa, se verifica la interacción entre el núcleo, la transición, el filtro y el dren respectivamente, los que cumplen con los criterios de Terzaghi, como se observa en la Tabla 2. En la Figura 4 se muestran las curvas granulométricas de los materiales de las distintas zonas de la presa (ver 4.2 y 4.3), los materiales analizados consideran los datos de construcción y muestras obtenidas en el núcleo y la transición posteriormente (Moffat 2009).

Figura 4: Curvas granulométricas

Tabla 2: Verificación condiciones de Terzaghi entre zonas de la presa

INTERACCIÓN

D15/d85 <4

NUCLEO-TRANSICIÓN

0.06

TRANSICIÓN-FILTRO

0.02

FILTRO-DREN

0.34

Se verifica a continuación la potencialidad de la inestabilidad interna mediante Kezdi (o De Mello) y Kenney and Lau según lo indicado en sección 4.4, como se muestra en las figuras 5.

Los principales resultados analizados del modelo de la presa Bennett fueron los gradientes hidráulicos y las tensiones efectivas. En la Figura 6 se presentan los gradientes hidráulicos obtenidos para las condiciones hidráulicas impuestas, mientras que en la figura 7 los resultados obtenidos de las tensiones efectivas. El análisis se centró principalmente en el núcleo de la presa y en el suelo de transición, debido a que son los materiales en los que produjo la falla.

Otro parámetro de interés es la velocidad de infiltración, ya que con ello se puede verificar que ésta se encuentre dentro del rango de validez de la Ley de Darcy. En general los resultados obtenidos dan velocidades de infiltración máximas de 1.56x10-6 m/s, los que son muy inferiores al límite teórico para la aplicación de esta ley, que en el suelo del núcleo (curva C-30) corresponde aproximadamente a 1 m/s, mientras que para el suelo de transición (curva T-0) el valor máximo permitido es la de 0.04 m/s.

Figura 5: Verificación según Kezdi y Kenney and Lau

Se observa en las figuras 6 y 7 los puntos considerados para el análisis, que se tomaron del núcleo y la transición. Estos puntos fueron graficados para verificar el criterio de las fronteras hidrodinámicas tal como se presenta en la figura 8.

Figura 6: Gradientes hidráulicos modelo presa Bennett

Figura 7: Tensiones verticales efectivas modelo presa Bennett

Figura 8: Verificación Fronteras Hidrodinámicas del Núcleo y Transición

4.6 Análisis

De la verificación de los criterios de Terzaghi para la interacción entre los rellenos de la presa, se observa que los materiales cumplen los límites especificados, pero al revisar cada suelo y en particular el núcleo y la transición, se ve que ambos son potencialmente erosionables, lo que no se consideró en el diseño y concuerda con el fenómeno observado durante la operación de la presa.

Del análisis realizado con el programa PHASES se observó que en base a los gradientes hidráulicos obtenidos y las tensiones efectivas, no existen problemas en el comportamiento hidrodinámico del núcleo y la transición que generen una tendencia a la erosión interna. Sin embargo se ha planteado la existencia de otros factores que pueden iniciar este fenómeno. Uno de ellos corresponde a la presencia de burbujas de aire, que al trasladarse a zonas de menores esfuerzos, pueden generar una barrera de menor conductividad hidráulica, incrementando en el sector los gradientes hidráulicos y con ello el riesgo de erosión interna. Buscando una forma de reproducir este fenómeno, se desarrolló con el programa PHASES un modelo en que se incorporó en la zona del núcleo una barrera más impermeable y se observó como los gradientes hidráulicos en dicha zona se elevaron de un valor inicial de 4.2 a 20.

Calculando los factores de seguridad a la erosión interna, a partir de las fronteras hidrodinámicas, se observó que al aumentar los gradientes hidráulicos, algunos factores de seguridad se disminuyeron en relación al caso original, por ejemplo en la zona del núcleo se contaba con un factor de seguridad de 277 y al simular el fenómeno de las burbujas el factor de seguridad disminuyó a 80, debido al incremento del gradiente hidráulico.

5. SOLUCIONES

Cuando se ha producido erosión interna en una presa de tierra, las soluciones a este problema deben ser analizadas cuidadosamente. En general las soluciones deben contemplar que ellas no produzcan en sí un cambio importante en los gradientes hidráulicos como en las tensiones efectivas.

La solución adoptada en la presa Bennett fue la colocación de un material de similares características geotécnicas e hidráulicas existente en el lugar, pero se eligió un material que no presentara problemas de inestabilidad interna. Asimismo se buscó que la compactación fuera similar, sin producir cambios de rigideces significativos en el suelo existente y el que se ha colocado, para que no se produzcan distribuciones de tensiones desiguales, generando zonas de menor esfuerzo.

Algunos métodos aplicados para dar solución a presas de tierra que se han visto afectadas por la erosión interna, son por ejemplo muros pantallas, grouting, jet grouting, filtros, membranas de reparación en el sector de aguas arriba de la presa, impermeabilización con arcilla, galerías de drenaje, pozos filtrantes, espaldones de apoyo, bermas adicionales y la reconstrucción parcial o total de la presa.

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Según la bibliografía consultada y comprobado por los análisis realizados en el presente trabajo, se puede concluir lo siguiente:

- Los materiales mal graduados debido a la falta de diámetros intermedio (representados a través del coeficiente de curvatura Cc) tienen características de inestabilidad ante ciertas condiciones hidrodinámicas, debido a que los materiales más finos pueden migrar a través de la fracción gruesa.

- Al realizar análisis con el método de las fronteras hidrodinámicas, debe tenerse en consideración la validez de extender las fronteras a rangos de tensiones muy superiores a los ensayos realizados, además, debe considerarse el hecho de que las curvas máximas, mínimas y medias sean obtenidas cada una con un punto y el origen.

- No es posible utilizar el método de las fronteras hidrodinámicas para establecer a priori qué material será más o menos estable en una presa zonificada, ya que las condiciones de carga a las que cada zona estará sometida afectan su ubicación con respecto al factor de seguridad y con ello la evaluación de cual suelo es más estable.

- En suelos erosionables existen dos factores relevantes: gradiente hidráulico y esfuerzo efectivo, la inestabilidad de la presa de tierra se verá afectada si el gradiente hidráulico aumenta y el esfuerzo efectivo disminuye. Para el caso del gradiente hidráulico, su aumento esta relacionado con las interacciones de las conductividades hidráulicas de los distintos rellenos con los que se encuentra el flujo del agua al atravesar la presa, por otra parte, el esfuerzo efectivo puede disminuir en los casos que las presiones de poros aumentan, por ejemplo, en la etapa de llenado de la presa.

Según los análisis realizados en el presente trabajo, se puede recomendar lo siguiente:

- En la modelación del flujo y estabilidad de la presa se recomienda sensibilizar los parámetros de conductividad hidráulica y tensiones efectivas que puedan relacionarse con las características de los materiales para rellenos presentes en terreno (esfericidad de las partículas, granulometría y uniformidad, % y características de los finos), así como las condiciones de construcción (compactación, segregación y singularidades) y operación en el corto y largo plazo (llenado de la presa, fenómeno de evacuación de burbujas, etc.). Estos análisis adicionales se justifican en materiales potencialmente inestables.

- Verificar durante las distintas etapas de diseño las características de cada material y la interacción entre ellos, utilizando para ello los criterios de Terzaghi, y algún método adicional como Kezdi o Kenney and Lau, en caso de que el material sea potencialmente inestable, se recomienda en etapas avanzadas del diseño incorporar la ejecución de ensayos para generar las fronteras hidrodinámicas en suelos con granulometrías representativas de éstos.

- La instrumentación de las presas de tierras con piezómetros es necesaria y recomendada para el monitoreo y la alerta temprana de la erosión interna. Recordando que en el caso particular de la presa Bennett los piezómetros presentaron una caída en las presiones, siendo este un fenómeno que favorece el inicio de la inestabilidad interna.

- Se recomienda también el monitoreo de otros parámetros de la presa, que estén relacionados con el comportamiento hidráulico y estructural de ella como mediciones de caudal, mediciones de deformaciones, entre otras.

- El proceso de compactación de los materiales de relleno, debe también ser monitoreado, principalmente por que las zonas que resulten con una menor densidad, generan una distribución no homogénea de los esfuerzos, disminuyendo así las tensiones efectivas en las zonas aledañas a estos. Asimismo es muy importante complementar los monitoreos con inspecciones visuales de la presa, que puedan dar indicios de problemas de estabilidad.

https://www.u-cursos.cl/diplomados/2009/2/DMS-TFD/1/material_docente/objeto/264944.

http://flyingskyhigh.blogspot.com.es/2008/06/bennett-dam.html

http://www.ourbc.com/travel_bc/bc_cities/alaska_highway/hudsons_hope.htm

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