Análisis de la filtración en presas con cimientos yesíferos

Resumen

Existen numerosas presas en todo el mundo construidas sobre yesos; algunas han tenido problemas por disolución del cimiento y otras se han comportado bien tras años de explotación. En España, el emplazamiento de presas cada vez es más restringido y las características geológicas y geotécnicas del cimiento no siempre tan favorables como se desearía. De hecho, teniendo en cuenta que los terrenos donde el yeso aflora constituyen del orden del 7% del territorio nacional, no es tan inusual que se estudien cerradas ubicadas en terrenos yesíferos. A veces, es factible encontrar en las proximidades alguna cerrada que los evite, pero otras veces no. En estos casos, lo primordial en fase de Proyecto es diseñar una sección tipo de presa que limite, dentro de valores aceptables, el proceso de disolución del cimiento. El objetivo principal de la presente tesis doctoral es analizar el proceso de disolución en un cimiento yesífero de una presa, como consecuencia del aumento de carga que origina el agua del embalse. Para la comprensión de este proceso, se ha estudiado inicialmente la situación y la forma de presentarse los yesos en la naturaleza. También se ha elaborado una recopilación de datos de presas ubicadas en cimientos yesíferos. Posteriormente, se ha analizado el proceso químico de disolución del yeso y los modelos de disolución de materiales solubles del terreno. Estos puntos, que constituyen el Estado del Arte, han sentado las bases para el desarrollo de una modelización numérica del avance del frente de disolución (o zona donde se está produciendo la disolución) cuando el flujo es intergranular, el régimen laminar y por lo tanto, el modelo de disolución es de partículas. La modelización numérica del proceso se ha materializado en un programa, desarrollado en Visual Basic para su utilización en la presente tesis, y que se ha denominado DISOLUCIÓN2D. Este programa realiza iteraciones en el tiempo a partir de los resultados suministrados en cada paso de cálculo por el programa comercial FastSEEP (de BOSS International, que calcula la red de filtración). A partir de los resultados del campo de velocidades de cada iteración, DISOLUCIÓN2D calcula el avance del frente de disolución para el intervalo de tiempo correspondiente a esa iteración y prepara los datos de entrada para el siguiente cálculo de FastSEEP. Este proceso permite calcular la evolución en el tiempo del frente de disolución en su recorrido a través del cimiento. Dado que la disolución de las partículas de yeso presente en el cimiento produce un aumento de la porosidad del terreno, también se produce un incremento de la permeabilidad en la capa yesífera y del caudal filtrado por el cimiento. Este incremento de la permeabilidad que se produce en la capa yesífera debido a la disolución se ha incorporado al modelo matemático. De este modo, la velocidad de avance del frente de disolución no es constante, y el proceso se va acelerando con el tiempo. No se ha tenido en cuenta el efecto mecánico de la disolución, por lo que el modelo desarrollado es aplicable únicamente cuando el porcentaje de yeso es moderado, resultando difícil establecer un límite exacto. Posteriormente, se han realizado ensayos en el permeámetro de carga constante (en los laboratorios de Geotecnia de la ETSICCP de Madrid y del Cedex), que han permitido verificar la validez de los cálculos realizados mediante DISOLUCIÓN2D, a partir de la comprobación de los resultados de los modelos numéricos de los ensayos con los datos experimentales. El material utilizado para los ensayos ha sido el bicarbonato sódico, que permite disminuir el tiempo de duración de los ensayos respecto al yeso y controlar el proceso de disolución, gracias a que el análisis del peso de los volúmenes filtrados permite comprobar la masa que se va disolviendo. Finalmente, se ha realizado una campaña de experimentación numérica con el programa DISOLUCIÓN2D, que ha consistido en el cálculo de 140 casos distintos (combinaciones de tres parámetros: espesor de capa yesífera, porcentaje de yeso en la capa y sección tipo de la presa). El análisis de los resultados de estos cálculos ha permitido estudiar la influencia de los parámetros que intervienen en el proceso y la comparación de secciones tipo para 15 tipos de cimiento (combinaciones de tres espesores de capa yesífera con cinco porcentajes de yeso en la capa). Por lo tanto, y a pesar de lo complejo que es el proceso de disolución de un cimiento yesífero, se ha desarrollado una metodología para, en función de los parámetros que influyen en el proceso, elegir el óptimo diseño de la sección tipo de la presa, según cada caso particular. Hay que destacar que muchos aspectos del análisis realizado son aplicables para otros cimientos solubles, si bien los criterios fijados para el diseño lo son para presas sobre cimientos yesíferos. ABSTRACT There are several dams founded on gypsum in the world; some of them have had problems because of the foundation dissolving and others have performed well after years of exploitation. In Spain, the dam locations are increasingly restricted, and the geological and geotechnical foundation characteristics can´t be always favorable as we desired. In fact, taking into account that the land where the gypsum makes outcrops consists of around 7% of the country, it’s not unusual to consider damsites placed in gypsum soils. Sometimes, it is feasible to find a nearby damsite to avoid them but sometimes not. In these cases, the primary phase of the project is to design a dam type section that limits, within acceptable values, the foundation dissolution. The principal aim of this thesis is to study the process of gypsum dissolution in the foundation of a dam, as a result of the increased hydraulic charge caused by the water in the reservoir. For the purpose of understanding this process, it has been studied initially that the situation and the way shows the gypsum in the nature. A data collection dam foundation located in gypsiferous foundations has also worked on. Subsequently, we analyzed the chemical process in gypsum dissolution and the dissolution models of soluble materials in the soil. These points, that constitute the State of the Art, have laid the bases for the development of a numerical modeling of the solution front advancement (or the area where the dissolution is occurring) when the flow is intergranular, the regime is laminar and therefore, the model is particles dissolution. The numerical modeling process has been materialized in a program developed in Visual Basic in order to be used in this thesis, and it´s called as DISOLUCIÓN2D. This program performs iterations in time from the results provided in each calculation step by the commercial program FastSEEP (BOSS International). From the results of the velocity field of each iteration, DISOLUCIÓN2D calculates the solution front advancement for the time interval for that iteration and it prepares the input data for the following calculation of FastSEEP. This process allows us to calculate in time the evolution of the solution front on its path through the foundation. Since the dissolution of gypsum particles that is present in the foundation causes an increase in the porosity of the soil, there is also an increased permeability in the gypsum layer and the seepage discharge by the foundation. This increasing permeability that takes place in the layer due to the gypsum dissolution has been incorporated into the mathematical model. So, the solution front velocity is not constant, and the process is accelerating as time goes by. The mechanical effects on the dissolution were not taken into account, so that the developed model is applicable only when the gypsum percentage is moderate, making it difficult to establish an exact limit. Subsequently, some tests have been carried out in the constant head permeameter (in the Geotechnics laboratories of Madrid: ETSICCP and Cedex), where we verified the validity of the calculations realized by DISOLUCIÓN2D, after verification of the numerical models results with experimental dates. The material used for the tests was sodium bicarbonate, that decreases test duration time and control the dissolution process, due to the analysis of the weight of the filtered volumes; it makes us check the mass to be dissolving. Finally, we have performed a campaign of numerical experimentation with DISOLUCIÓN2D program, that consists of 140 cases (combinations of three parameters: thickness of gypsum layer, percentage of gypsum in the layer and type of dam). The analysis of the results of these calculations allowed us to study the influence of the parameters involved in the process and the comparison of typologies for 15 particular cases (combinations of three thicknesses of layer and five gypsum percentage). Therefore, despite the complexity of the dissolution process in a gypsiferous foundation, a methodology has been developed to choose the optimal design of the dam type section, in each case and as a function of the parameters that make an influence on the process. It should be noted that many aspects of the analysis are applicable to other soluble foundations, although the criteria for the design are for dams on gypsum foundation.