Análisis de flujo de agua en una presa y su influencia en la estabilidad del suelo
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Al resolver un problema práctico de flujo de agua, como el análisis de infiltraciones a través del macizo y del terreno de fundación de la presa, el ingeniero obtiene información fundamental sobre tres cuestiones importantes:
- La vazón a través de la zona de flujo, ya que todas las pérdidas de agua que ocurran a través del macizo o de sus fundaciones deben ser cuantificadas.
- La influencia del flujo en la estabilidad general de la masa de suelo. Cuando el agua fluye, la presión a la que está sometida es hidrodinámica y esto produce varios efectos. (Flujo ascendente y flujo descendente)
- Las posibilidades de que el agua de infiltración produzca arrastres, erosiones, piping, etc., lo cual puede poner en peligro la estabilidad de la obra al dejarla surcada por túneles y galerías formadas por erosión.
Línea de flujo y línea equipotencial
Línea de flujo es una línea a lo largo de la cual una partícula de agua se desplaza de montante a jusante en el medio de suelo permeable.
Línea equipotencial es una línea a lo largo de la cual la carga potencial es igual en todos los puntos.
Propiedades de las líneas de flujo y equipotenciales
- La vazón entre líneas de flujo es constante en cualquier sección que se tome entre las líneas. Este espacio entre dos líneas de flujo se llama canal de flujo.
- Las líneas de flujo no se cortan dentro de la región del flujo. Si las líneas de flujo convergen en un punto de contacto, no hay área para el paso de agua y no se respeta la continuidad del flujo, lo cual es imposible bajo las hipótesis de la teoría en estudio.
- Las líneas equipotenciales tampoco pueden cortarse jamás, ya que en ese punto el agua tendría dos cargas hidráulicas diferentes.
Redes de flujo
Las redes de flujo permiten determinar:
- Las pérdidas de agua por percolación.
- Las presiones neutras en la región donde se produce la percolación.
- Los gradientes hidráulicos.
- Las fuerzas de percolación.
Consideraciones
Cuando el flujo de agua ocurre siempre en la misma dirección, como en el caso de los permeámetros, el flujo es unidimensional. Si la arena es uniforme, la dirección del flujo y el gradiente son constantes en cualquier punto.
Cuando las partículas de agua se desplazan en cualquier dirección, el flujo es tridimensional, como por ejemplo, la migración de agua hacia un pozo.
Cuando las partículas de agua siguen caminos curvos pero paralelos, el flujo es bidimensional. Es el caso de la percolación a través de las fundaciones de una presa.
El estudio del flujo bidimensional es muy facilitado por la representación gráfica de los caminos recorridos por el agua y de la correspondiente disipación de carga. Esta representación se conoce como red de flujo.
Pasos para trazar una red de flujo
- Delimitación de la zona de flujo que se desea estudiar, analizando sus condiciones específicas de frontera.
- Las superficies horizontales del terreno, aguas arriba y aguas abajo, se consideran equipotenciales.
- El contacto impermeable del suelo con el substrato es una línea de flujo.
- El contorno del diafragma impermeable también es una línea de flujo.
- Procurar trazar siempre redes de forma similar a cuadrados.
- Las líneas de corriente deben partir y llegar normales (perpendiculares) a las fronteras equipotenciales, y deben cruzarse ortogonalmente con las equipotenciales.