Presas de enrocamiento con cara de concreto en México, 1920-1960
Existen evidencias de que la humanidad empezó a construir presas desde hace 5,000 años, con los primeros diques en Mesopotamia. Las técnicas de construcción fueron perfeccionándose mediante la prueba y el error, empleando diversos materiales y procedimientos. El uso de tierra y rocas complementadas con ramas y madera tuvo cierto éxito, al igual que las mamposterías con diversas argamasas. En todos los casos, el objetivo era almacenar agua y que la estructura durara y resistiera las condiciones climáticas y las avenidas.
Rodrigo Murillo Fernández Gerencia del Consultivo Técnico, Conagua.
Ma. Guadalupe Barrios Galván Gerencia de Estudios de Ingeniería Civil, CFE.
La mayoría de las presas construidas están conformadas con las llamadas cortinas flexibles o de terraplén (Murillo, 2012a), las cuales tienen subdivisiones debidas a la composición interna de su cuerpo. Entre ellas se encuentran:
De sección homogénea. Están formadas principalmente de suelos finos (arcillas, limos), compactados o no, que pueden tener, además, inclusiones verticales como drenes (chimney drain) o muros rígidos o celulares, horizontales o inclinados como filtros de diversos materiales como arena, grava-arena, concreto, acero, etc. (USBR, 1987), así como galerías y conductos (los cuales no son recomendables a través del material impermeable).
De materiales graduados o zonificadas. Tienen un núcleo de baja permeabilidad confinado entre materiales de mayor permeabilidad (filtros de arena), y estos a su vez son contenidos por materiales de mayor tamaño o respaldos de rezaga o enrocamiento.
De enrocamiento. La mayor cantidad de material empleado es enrocamiento, sea con cara de concreto o con otros elementos impermeables como la arcilla. En otros países también se utiliza el concreto asfáltico, acero, cobre o geomembranas de polímeros como elemento impermeable.
A mediados del siglo XIX, a raíz de la fiebre del oro en California, cuando se acumulaba el desecho de las minas, surgieron las primeras presas de enrocamiento, principalmente de materiales heterogéneos, con grandes tamaños de enrocamiento colocado a volteo que permitían almacenar el agua para el proceso de los minerales. Para lograr mayor durabilidad se cubría la cara de la cortina con madera.
Aprovechando el desarrollo del cemento artificial (Pórtland) en esa época, se probó el uso de concreto simple y armado como recubrimiento de la cara húmeda. Estas primeras presas de baja altura cumplieron la función de almacenar agua, aun con cierta cantidad de filtraciones, y dieron la oportunidad de probar, a finales del siglo XIX y principios del XX, un nuevo tipo de estructura de cortinas de enrocamiento con cara de concreto (concrete face rockfill dam o CFRD, sus siglas en inglés).
Sin embargo, al incrementarse la altura, registraron deformaciones importantes que llegaron a ocasionar la pérdida total del almacenamiento, lo que motivó que este tipo de presas perdiera popularidad; era evidente que la fuerte deformabilidad del enrocamiento colocado a volteo no era compatible con la rigidez de la cara de concreto.
A partir del decenio de 1960, con la llegada y mejoramiento de los compactadores de rodillos vibratorios, la densificación de los materiales mejoró notablemente las características de la deformabilidad y resistencia de los enrocamientos, lo que permitió retomar la construcción de presas de CFRD como una opción viable para alturas mayores de 80 metros.
Presas de CFRD construidas en México
Hasta el decenio de 1960 México tenía 16 presas de enrocamiento con cara de concreto en operación, que fueron construidas de 1926 a 1959, con alturas de 12.6 a 62.7 m; sus características generales se presentan en la tabla 1 y la figura 1 (Conagua, 2024). La mayoría de estas presas tiene la función de almacenamiento para la irrigación, por lo que conservan sus almacenamientos gran parte del año, mientras que las presas de la Ciudad de México tienen almacenamientos temporales, al ser de control de avenidas. Las presas construidas en fechas más recientes son de generación eléctrica y control de avenidas, principalmente.
El elemento impermeable de estas presas es una losa de concreto armado solo para temperatura, integrada por tableros rectangulares del orden de 4 m de ancho y 5 m de longitud, con espesor mínimo de 0.2 m en la parte superior que incrementa su espesor hacia el desplante 0.03 m cada 10 m de longitud de losa, apoyada en un dentellón de concreto y una pantalla de inyecciones a través de este (figuras 2 y 3).
El sello de las juntas entre las losas es a través de placas de cobre de 1.21 a 1.52 mm de espesor (calibre 18 a 16) dobladas en forma de T insertas en las losas y con fibras de madera o asbesto asfaltadas tanto arriba como abajo de la placa de cobre (figura 4). En las presas Madero y San Ildefonso, bajo las juntas longitudinales se colocó una dala de concreto de apoyo, la cual se impregnó con asfalto para proporcionar una superficie de deslizamiento. En la presa Madero, se instalaron dentellones horizontales en las losas para evitar su deslizamiento sobre la roca acomodada. La aplicación de asfalto también se realizó en el contacto entre dentellón y losas.
La mayor parte del cuerpo de las cortinas se reporta como de enrocamiento a volteo; en otros casos, de enrocamiento colocado en capas horizontales del orden de 0.50 m y bandeado con tractor de orugas, y en muchos casos se aplicó chiflón de agua para facilitar el acomodo, e incluso fue compactado con rodillo liso en algunos casos. Al parecer, en la mayoría el enrocamiento bajo la losa de concreto fue acomodado a mano (figura 5), o bien fue compactado en capas con espesor de 0.5 metros.
En la zona de desplante de la losa, en todos los casos, se indica una colocación especial para obtener un buen acomodo; su espesor varía de 1 a 2 m en la parte superior y cerca de 3 a 4 m en la parte inferior, con taludes entre 1:1 a 1.27:1 y de 1.3:1 a 1.4:1 en la losa. En algunas presas se colocó mortero de cemento entre los huecos del enrocamiento antes de colocar las losas. Conviene indicar que algunas presas fueron sobreelevadas –como Taxhimay, La Esperanza y San Ildefonso– y no se ha reportado comportamiento anómalo en ellas.
El desuso de este tipo de cortinas después de la década de 1960 se atribuye al comportamiento desfavorable de la presa Guadalupe en el Estado de México, de 28.5 m de altura. En 1948 tuvo un asentamiento de 2.1 m y filtraciones de 4 m3/s por el agrietamiento de la losa en la zona de contacto con el dentellón; fue modificada con un corazón inclinado de arcilla, pero nuevamente se registraron filtraciones de 0.5 m3/s en 1952 (SRH, CFE, II UNAM, 1976), por lo cual se modificó a una sección de materiales graduados. Este comportamiento provocó la desconfianza de continuar con la construcción de cortinas de CFRD en México.
Comportamiento geotécnico
Por la época de construcción y la vida en servicio de estas presas, de entre 67 y 98 años, no se cuenta con gran parte de la información de su diseño, construcción y comportamiento. Sin embargo, las autoridades responsables, como la Comisión Nacional del Agua y la Comisión Federal de Electricidad, mantienen su monitoreo periódico a través de inspecciones de seguridad, que permiten evaluar su estado estructural e identificar en algunas sus deformaciones, agrietamientos en losas y filtraciones, principalmente.
Con base en la información disponible de los años recientes (Conagua, 2024), se indican algunas características de su comportamiento en la tabla 2, tales como el asentamiento máximo a nivel corona (d), desarrollo de grietas, gastos de filtraciones y asentamientos unitarios (d/H).
El asentamiento unitario en las presas varía entre 0.19 y 2.45%. Aunque el mayor se registra en la presa Mexquitic, sus losas solo muestran agrietamientos pequeños, algunas juntas están parcialmente deterioradas (figura 6) y tiene filtraciones a través del macizo riolítico de la margen derecha; por el contrario, en la presa El Peaje, con menor asentamiento unitario, la abertura de las juntas entre losas, principalmente por la deformación del talud aguas arriba, ha provocado gran pérdida de agua (800 l/s). La deformación unitaria de la presa Los Pinzanes no es representativa de su comportamiento, ya que las mediciones se iniciaron tres años después de terminada, por lo cual no se registró la deformación al final de la construcción y en los primeros almacenamientos.
Por lo general, las presas que mantienen niveles de agua altos por almacenamiento muestran mayores asentamientos en la corona, en comparación con aquellas que eventualmente tienen agua en sus vasos, que no registran deformaciones de importancia.
Desafortunadamente, muchas de estas presas son operadas en la actualidad por usuarios o gobiernos locales, los cuales no han continuado con el registro de deformaciones, o bien se han suspendido las nivelaciones, al considerar en forma errónea que los movimientos se han estabilizado y que no cambiará su comportamiento.
El comportamiento estructural de este tipo de presas, construidas hasta antes de los sesenta, ha sido aceptable; en algunas se han desarrollado problemáticas asociadas principalmente a la deformación, agrietamiento de las losas y la presencia de filtraciones, lo que motivó la realización de trabajos de reparación para mantenerlas funcionales y en condiciones de seguridad adecuadas. Entre las presas cuyo comportamiento se considera importante reportar están las que se enumeran a continuación.
Gonzalo N. Santos (El Peaje)
Ubicada en el estado de San Luis Potosí, 11 km aguas arriba de la capital del estado, esta presa entró en operación en 1953, por lo que al 2024 tiene 71 años en servicio (figura 7).
Hasta 1989 registró un comportamiento satisfactorio y se reportaron filtraciones del orden de 10 l/s; sin embargo, aumentaron en forma extraordinaria en los siguientes años hasta alcanzar 600 l/s en 1991 y 800 l/s en 1997.
La deformación máxima medida a nivel de corona fue de 0.45 m entre 1950 y 1989 (39 años), con evidencias de intemperismo en el enrocamiento del cuerpo (riolita). El agrietamiento que se registró en el parapeto cerca de los empotramientos indicó la evolución de la deformación.
La magnitud de las filtraciones obligó a realizar estudios con trazadores y fue posible verificar que las filtraciones ocurrían sobre todo en la margen derecha. Posteriormente, al tener el embalse vacío, se identificaron oquedades, desacomodo de una zona de las losas atribuible a defectos de construcción, el hundimiento de la losa en el tercio inferior cerca de la margen derecha (figura 8) y, de gran importancia, la abertura de una junta vertical en esta margen, al interactuar con un peñasco rocoso que fue rodeado por la unión del dentellón con la losa. La abertura máxima en la junta fue de 8 cm y produjo la mayor parte de las filtraciones.
Al parecer, las fugas favorecieron la intemperización del enrocamiento y los asentamientos de la cortina, debido a que el agua que percoló a través del pedraplén, además de lubricar los contactos entre los enrocamientos, presenta un alto grado de contaminación. Se analizó el agua en 2014 y tenía una DBO de 3.07 mg/l y una DQO de 40.65 mg/l, así como 23,000 NPM/100 ml de coliformes totales; se incumple así la Ley Federal de Derechos sobre Descargas a Cuerpos de Agua en el primer y tercer parámetro, lo cual es provocado por las descargas de aguas residuales de la población de Pozuelos y de excrementos de ganado en la zona. El agua que se filtra en la galería de la toma tiene un fuerte olor a materia orgánica, que se desprende como ácido sulfhídrico. Este tipo de agua corroe rápidamente los elementos metálicos de la toma y probablemente también acelere el intemperismo del enrocamiento.
Una vez identificadas las discontinuidades, fueron calafateadas y selladas. Sobre la junta tratada se colocó una protección de concreto y la presa volvió a operar adecuadamente hasta 2014. Posteriormente volvieron a incrementarse las filtraciones, por lo cual fue necesario realizar otra vez durante 2022 el sellado de la junta cercana a la margen derecha (figura 9). Entró nuevamente en operación en 2023.
Venustiano Carranza (Don Martín)
La presa Don Martín, localizada en Coahuila, es una de las presas más importantes de esta época; entró en operación en 1930, por lo que al 2024 tiene 94 años en servicio (figura 10).
El cuerpo de la cortina está constituido de material semipermeable Reynosa, que corresponde a una grava arcillosa colocada en capas de 0.5 m y compactada con rodillo liso aplicando humedad hasta obtener un peso específico seco de 2.0 t/m3. Tiene un dren horizontal de grava en la mitad aguas abajo de su sección transversal.
El elemento impermeable lo integra un dentellón de concreto reforzado de 0.76 m de espesor que penetra hasta 8 m al contacto con roca caliza sana y la pantalla de concreto reforzado, la cual tiene escalones en la parte superior para disipar el oleaje. Es la única presa nacional en la que se colocó un recubrimiento de tierra al pie de la cortina sobre la unión entre el dentellón y la cara de concreto.
A partir de 1932 se observó que la línea de saturación dentro de la cortina estaba a 2.3 m sobre el pie, y con niveles de embalse altos, las filtraciones eran de 16 l/s; este comportamiento se repitió en 1958 con niveles altos y filtraciones de 14 l/s. Los asentamientos máximos observados hasta 1959 fueron de 0.42 m; no se cuenta con la actualización de esta información.
Debido al comportamiento registrado, en 1958 se reforzó el talud de aguas abajo con una berma compactada del mismo material, para mejorar la estabilidad de la cortina al modificar el talud de 2:1 a 3:1, hasta 7.8 m debajo de la corona. En la parte inferior se colocó enrocamiento para dar continuidad al dren horizontal.
En 1980 se abrió la junta constructiva vertical de la estación 0+987, la cual, una vez que fue tratada, no ha manifestado movimientos de importancia. En 2004 se abrió la junta vertical de la estación 0+870, sin llegar a nivel de corona; además se desarrolló una grieta horizontal de 3 m de longitud aproximadamente y 2 cm de abertura en esta zona (figura 11).
Las filtraciones en esas fechas fueron de 25 a 67 l/s con niveles altos de embalse. Este comportamiento anómalo fue asociado con un aumento de nivel del agua después de mantener niveles bajos por varios años, en combinación con el cambio de dirección del eje de la cortina; en estos cadenamientos se forma una curva convexa (figura 10).
Los Pinzanes, Estado de México
La presa Pinzanes, localizada sobre el río Tilostoc en la cuenca del río Cutzamala, fue terminada en 1957 y es la última presa de enrocamiento con cara de concreto construida en el país durante muchos años. Tiene una altura máxima de 59 m y 260 m de longitud con corona de 5 m de ancho y un parapeto de concreto de 1.2 m; su trazo en planta es curvo (figura 12).
El cuerpo está constituido de enrocamiento colocado a volteo y solo la zona bajo la cara de concreto es con material acomodado. Las losas de la cara de concreto son de 12 × 12 m con sellos de lámina de cobre en las juntas.
No muestra deterioro significativo por cargas o envejecimiento, solo la pérdida parcial del material bituminoso de sellado en las juntas; aunque se ha señalado la posible disgregación del enrocamiento en el talud de aguas abajo, una fotografía anterior a 1976 muestra el mismo aspecto terroso de la superficie. Hay filtraciones al pie aguas abajo de pequeña magnitud.
Es una de las pocas cortinas a cuya deformación se les da seguimiento, y las mediciones, las cuales son de pequeña magnitud, se iniciaron tres años después de terminada la construcción (CFE, 2016).
Comentarios finales
La práctica nacional de construcción de presas de enrocamiento con cara de concreto (CFRD) de la primera mitad del siglo XX –consistente en colocar y compactar los enrocamientos en capas cercanas a los 0.5 m y aplicar chiflón de agua– permitió que esas primeras presas tuvieran un comportamiento adecuado; sin embargo, no se incrementó la altura de cortinas durante varias décadas.
El uso de alternativas en el tipo de cortina, como las cortinas zonificadas, fue común en las décadas de 1960 a 1980, y al final de ese lapso el uso del concreto compactado con rodillo (CCR) permitió otra opción conveniente para cortinas de mayor altura con sección de gravedad, que desde 1987 se ha aplicado en el país (Murillo, 2012b).
En esa época se construyeron presas de enrocamiento con cara de concreto en varios países; tales fueron los casos de Cethana en Australia, de 110 m en 1971; Alto Anchicayá en Colombia, de 140 m en 1974, y Foz do Areia en Brasil, de 160 m en 1980. En su diseño y ejecución se introducen cambios significativos (Materón, 2017) que permitieron retomar la ejecución de este tipo de cortinas en el país.
La necesidad de construir presas cada vez más altas durante la segunda mitad del siglo XX, aunada a un mayor conocimiento del comportamiento de materiales térreos y pétreos, debido en gran parte a los trabajos del profesor Raúl J. Marsal y su equipo en el Instituto de Ingeniería de la UNAM (Marsal y Reséndiz, 1975), así como el desarrollo de maquinaria y equipos de construcción cada vez más potentes y eficientes, permitieron la construcción de presas de este tipo con mayor altura (Marengo, 2024).
Las presas antiguas de enrocamiento con cara de concreto nacionales han tenido un buen comportamiento, con bajas deformaciones y filtraciones dentro de un margen aceptable, y no han requerido reparaciones mayores. Aunque algunas muestran señales de agrietamiento por deformación y envejecimiento, en ninguna de ellas se ha determinado que exista riesgo de ruptura de la cortina. Incluso en El Peaje, que ha tenido grandes filtraciones y un proceso de desintegración de su enrocamiento, no existe peligro de falla que provoque una inundación con efectos fatales o pérdida importante de bienes
Referencias
Comisión Federal de Electricidad, CFE (2017). Inspección y evaluación de las condiciones estructurales de 17 presas del Sistema de Aguas de la Ciudad de México.
Comisión Nacional del Agua, Conagua (1991-2003). Presas de México. Vols. I-XIX. México: Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales.
Conagua (2024). Sistema Informático de Seguridad de Presas. presas.conagua.gob.mx/inventario/hinicio.aspx.
El Mañana (2024). elmanana.com.mx/u/fotografias/m/2022/5/9/f1280x720-91336_223011_5050.jpg
Marengo, H. (2024). Tendencias actuales en el diseño de presas. www.humbertomarengo.com/_files/ugd/27d07a_97758362ca9f462f8f95524031714300.pdf.
Marsal, R., y D. Reséndiz (1975). Presas de tierra y enrocamiento. México: Limusa.
Materón, B. (2017). Evolución de presas de enrocamiento compactado con face de concreto en el periodo de 1970 a 2015. Revista Vial. revistavial.com/evolucion-de-presas-de-enrocamiento-compactado-con-face-de-concreto-ecfc-en-el-periodo-de-1970-a-2015.
Murillo F., R. (2012a). Cortinas de presas. XXII Congreso Nacional de Hidráulica. Acapulco: Asociación Mexicana de Hidráulica.
Murillo F., R. (2012b). Experiences with RCC dams in Mexico. 6th International Symposium on Roller Compacted Concrete (RCC) Dams. Zaragoza: Sociedad Española de Grandes Presas.
Secretaría de Recursos Hidráulicos, Comisión Federal de Electricidad, Instituto de Ingeniería UNAM: SRH, CFE, IIUNAM (1976). Comportamiento de presas construidas en México. México.
United States Bureau of Reclamation, USBR (1987). Design of small dams. Department of Interior.
