Criterios de Selección para el Tipo de Presa

Una presa es, en resumen, una acumulación artificial de material que permite embalsar un fluido o un semifluido, que normalmente es agua, pero no necesariamente.  Existen presas que se utilizan también en la industria minera para almacenar las llamadas colas, relaves o tailings.

Las presas se pueden clasificar de distintas maneras, por ejemplo, a partir de su comportamiento mecánico, su tamaño, su propósito, el material empleado en su construcción, entre otros.  Las Figuras 1 y 2 listan los distintos tipos de presas según estos conceptos.

En esas figuras ICOLD significa Comité Internacional de Grandes Presas, RCC es concreto compactado con rodillo, y FHSD significa presa simétrica de lleno duro con cara impermeable (lleno duro es una versión del RCC pero con bajo a muy bajo contenido de cementante).

Una pregunta fundamental a la hora de seleccionar un tipo de presa en particular es ¿cuáles criterios se deben considerar en la decisión?  Infortunadamente, es un hecho que el tipo de presa para ciertos proyectos en Colombia y en el exterior fue seleccionado basado en prejuicios, en preferencias de los dueños, los constructores o los diseñadores, o en información insuficiente, sin tener un análisis adecuado de los criterios de selección.

La selección del tipo de presa no es algo trivial y son varios los criterios que se deben y pueden utilizar para realizar una selección objetiva.   El costo de la presa es ciertamente uno de los más importantes, y este resulta de una combinación del costo unitario del material y su correspondiente volumen.  La Figura 3 muestra la comparación de los costos unitarios y las secciones transversales típicas para diferentes tipos de presas.

Tomando una altura de referencia de 100 m, resulta evidente en la Figura 3 el tamaño de la base o fundación de la presa, lo que tiene una relación directa con la forma del sitio de presa seleccionado, la cantidad de fundación a tratar, los espacios para construcción y logística, entre otros aspectos.  Una presa de tierra tiene normalmente taludes 2,5:1 a 4:1, dependiendo de las condiciones de sismicidad del sitio, una presa de enrocado con núcleo impermeable de tierra (ECRD) o de asfalto (ACRD) tiene típicamente taludes 1,7:1 mientras que una presa de enrocado con cara impermeable de concreto (CFRD) o de asfalto (AFRD) tiene taludes normalmente 1,4:1.  En la literatura el conjunto de presas de tierra y de enrocado se conoce como presas de materiales sueltos.

Pasando a las presas de concreto, normalmente las secciones más robustas son las de las presas simétricas, de lleno duro y de cara impermeable (FSHD), cuyos taludes pueden variar entre 0,6:1 a 0,7:1, tanto para la cara aguas arriba como para la cara aguas abajo, de ahí el apelativo de simétricas.  Luego están las presas de gravedad convencional, que pueden tener la cara aguas arriba vertical o con una leve inclinación (0,1:1 a 0,15:1), y la cara aguas abajo puede variar entre 0,7:1 y 1,0:1, dependiendo también de las condiciones de sismicidad del sitio.  En la Figura 4 se muestra la presa de RCC del proyecto Minas – San Francisco en Ecuador, diseñada por Integral S.A. y que tiene la cara aguas abajo con talud 0,9:1.

Las presas de arco – gravedad tienen un comportamiento mixto, satisfaciendo parte de la estabilidad mediante efectos gravitatorios, y la otra mediante la transferencia de esfuerzos de compresión a la fundación.  Estas presas pueden tener la cara aguas arriba vertical o con una leve inclinación (0,1:1 a 0,15:1), y la cara aguas abajo puede variar entre 0,3:1 y 0,5:1, dependiendo también de las condiciones de sismicidad del sitio.    Finalmente, las presas de arco presentan la geometría más esbelta y elegante, y usualmente tienen curvatura no solo en planta sino también en alzado, siendo las presas con menores requerimientos en cuanto a espacio para su fundación.

Como complemente al criterio de balance precio – cantidad de material, existen otros aspectos fundamentales que deben ser considerados, y que se presentan a continuación:

Geología.  Como se ilustra en la Figura 1, las presas de tierra son las que tienen una fundación más extensa y por lo tanto transmiten menores esfuerzos de compresión a la fundación, mientras que las presas de arco son las más exigentes en términos de esfuerzos transmitidos a la fundación.  En todo caso, es importante mencionar que sobre este aspecto hay una especie de mito que dice que las presas de arco requieren un macizo rocoso de muy alta resistencia.  Esto realmente no es cierto, ya que una presa de arco transmite a la fundación típicamente esfuerzos entre 4 y 6 MPa, que pueden ser soportados aun con rocas relativamente débiles.

Lo que sí resulta muy importante, además de la capacidad de soporte, es la estructura misma de la roca, y la presencia de diaclasas, foliación, fallas y otras estructuras, que pudieran crear cuñas inestables, que eventualmente pueden llevar al colapso de la presa.

En orden de exigencia con respecto a la calidad de la roca de fundación, de más a menos exigentes, los tipos de presas se pueden listar como:

• Arco
• Arco – gravedad
• Gravedad convencional, incluso RCC
• Gravedad de lleno duro (RCC baja pasta)
• Enrocado con Pantalla
• Enrocado con Núcleo
• De Tierra

Fuentes de materiales.  Este es un criterio, que combinado con las distancias de acarreo de los materiales, tiene un efecto directo en el costo de la presa.  Algunos criterios frente a las fuentes de materiales son:

• Para las presas de enrocado se requiere roca de relativa buena calidad, gravas para concretos de la pantalla y el plinto, o los filtros y el núcleo, y/o suelo para el núcleo. La existencia de plantas de asfalto en el proyecto o en sus vecindades pueden condicionar la selección de una presa impermeabilizada con asfalto, en cualquiera de sus dos variantes.
• Se han construido algunas presas de enrocado con gravas sucias (Salvajina, Sogamoso).
• Para las presas de concreto se requiere roca o materiales aluviales para la trituración y producción de agregados para concretos.
• Para las presas de tierra se requieren materiales finos de baja susceptibilidad a la erosión interna y con algún nivel plasticidad.

Hidráulica.  No todos los materiales con los que se construyen las presas son resistentes a la erosión.  Las presas de materiales sueltos son particularmente vulnerables a sobrepasos del agua.

• Las presas de concreto son capaces de soportar con éxito el sobrepaso del agua.
• Ante potencial de seiches (olas producidas por el viento) y olas por megadeslizamientos las presas de tierra o roca requieren mayores bordes libres (borde libre es la diferencia de altura entre el nivel normal del embalse y la corona o cresta de la presa).
• Las presas de concreto pueden alojar el vertedero en su cuerpo.

Sismicidad y tectónica.  Este es otro aspecto sobre el cual se ha creado cierto mito.  Se creía que las presas CFRD eran inheremente seguras ante la acción sísmica, pero el sismo de Wenchuan en el 2008 en China causó daños severos a la presa de Zipingpu.  A raíz de este incidente el ICOLD recomienda que este tipo de presas también sean sujetas a análisis dinámicos y se elaboren sus correspondientes diseños sismorresistentes.  El ICOLD reconoce que:

• Básicamente cualquier presa bien diseñada está en condiciones de soportar las cargas directas impuestas por los sismos.
• No hay presas modernas, debidamente diseñadas y construidas, que hayan colapsado debido a la acción sísmica.
• En caso de una potencial falla activa a lo largo de la fundación el tipo de presa que mejor se adapta a esas condiciones es la de enrocado con núcleo impermeable.

Geometría y forma del valle.  En general, un valle estrecho se acomoda mejor a una presa de arco, pero se debe tener en cuenta la presencia de eventuales depósitos aluviales potentes en el lecho del río, que podrían dificultar o hacer prohibitivo su excavación.  En general, siendo L la longitud de la corona de la presa y H la altura de ella, se acepta que:

• Para relaciones L/H < 3 sirve cualquier tipo de presa.
• Para relaciones L/H > 3 una presa de arco no es atractiva, en general, aunque hay presas de arco con relaciones L/H incluso superior a 6.
• Todas las presas de concreto pueden alojar el vertedero dentro de su estructura, lo cual conlleva a menores excavaciones y menores impactos ambientales.

Otros criterios.  Algunos criterios complementarios son:

• Capacidad tecnológica en el país y en la zona del proyecto.
• Programa construcción. Las presas de tierra y las de enrocado con núcleo tienen dificultades constructivas en épocas de lluvia.  Las presas de RCC en cualquier de sus versiones ofrecen en general programas de construcción más cortos, en comparación con otras alternativas.
• Restricciones ambientales (Fuentes de materiales, botaderos, cambios en el paisaje, riesgos para la población).