Influence of Valley Morphology on Earth Pressure in Composite Face Rockfill Dam

Resumen Técnico: Influencia de la Morfología del Valle en la Presión de Tierra en Presas de Enrocado de Cara Compuesta

Planteamiento del Problema
Las presas de enrocado de cara compuesta, una forma estructural innovadora diseñada para superar las limitaciones de las presas de enrocado de cara convencional que superan los 250 metros de altura, integran una sección inferior de presa de gravedad de concreto con un terraplén superior de enrocado. Si bien este diseño facilita el mantenimiento y reduce la longitud de la losa, introduce desafíos complejos de estabilidad, particularmente en lo que respecta a la interacción entre la presa de gravedad rígida y el enrocado flexible. Un parámetro de diseño crítico para estas estructuras es la presión de tierra. Sin embargo, la práctica de ingeniería actual depende en gran medida de las teorías clásicas de Rankine y Coulomb, las cuales se basan en supuestos de deformación plana bidimensional (2D) e hipótesis de suelos semi-infinitos. Estos métodos tradicionales no logran contabilizar el fuerte confinamiento lateral, el ancho finito y los efectos espaciales tridimensionales (3D) inherentes a los valles montañosos estrechos. En consecuencia, las presiones de tierra calculadas suelen desviarse significativamente de las condiciones in situ, omitiendo el efecto de arco del suelo y la redistribución específica de esfuerzos causada por la topografía del valle. Esta discrepancia plantea riesgos para la estabilidad de la presa de gravedad inferior, el control de compactación y la compatibilidad de deformación entre la losa superior y la presa inferior.

Metodología
Para abordar estas deficiencias, el estudio emplea un enfoque multifacético que combina la derivación teórica, el monitoreo de campo y la verificación numérica:

1. Derivación Teórica: Los autores derivaron una nueva fórmula analítica para la presión de tierra activa 3D utilizando el método de equilibrio límite. La derivación se basa en un modo de falla de cuña deslizante 3D que incorpora parámetros morfológicos clave del valle: el ángulo de la pendiente del valle, el ancho de la base del valle y la relación ancho-altura del valle. El modelo trata la masa de suelo deslizante como un cuerpo rígido sujeto a su propio peso, fuerzas de reacción de la presa de gravedad y restricciones laterales de las laderas del valle, contabilizando explícitamente el efecto de arco del suelo y la resistencia por fricción tanto en la base como en las superficies laterales.
2. Verificación de Campo: La fórmula teórica fue validada mediante datos de monitoreo in situ de la Estación Hidroeléctrica de Yangqu, un proyecto de presa de enrocado de cara compuesta en la parte alta del Río Amarillo. Dos secciones de monitoreo fueron instrumentadas con celdas de presión de tierra a diversas elevaciones para rastrear la evolución dinámica de la presión interfacial durante el llenado de la presa.
3. Verificación Numérica: Se estableció un modelo de elementos finitos 3D (FEM) utilizando el modelo constitutivo elástico no lineal Duncan-Chang E-B para el enrocado y elementos de contacto Goodman para las interfaces. Este modelo simuló la sección típica de la presa de Yangqu para comparar los resultados teóricos con las simulaciones numéricas.
4. Análisis Paramétrico: Utilizando la fórmula derivada, se aplicó un método de variables de control para realizar análisis de sensibilidad de un solo factor y de múltiples factores. Esto cuantificó la influencia de los ángulos de pendiente del valle (que oscilan entre 20° y 90°) y las relaciones ancho-altura del valle en la magnitud y distribución de la presión de tierra.

Contribuciones Clave y Resultados
El estudio arroja varios hallazgos críticos sobre la mecánica de la presión de tierra en presas de cara compuesta ubicadas en valles:

• Validación de la Fórmula 3D: La fórmula de presión de tierra 3D derivada demuestra una alta consistencia tanto con los datos de monitoreo de campo como con los resultados de FEM. Las curvas teóricas se alinean con las tendencias medidas, cayendo dentro de la envolvente de los valores máximos y mínimos registrados. La fórmula refleja con precisión la distribución unimodal de la presión de tierra, donde los valores máximos ocurren cerca del cuerpo superior de la presa (aprox. 2628 m) debido al efecto de arco del suelo, seguido de una disminución gradual hacia la base.
• Sensibilidad Dependiente de la Elevación: El estudio revela que la presión de tierra es altamente sensible a los cambios de elevación. En la zona de menor elevación (2550–2600 m), la presión de tierra disminuye rápidamente con el aumento de la elevación, lo que indica efectos significativos de estrangulamiento lateral. Por encima de los 2600 m, la presión se estabiliza. Los valores teóricos generalmente coinciden con los datos medidos en las secciones superiores, pero muestran desviaciones en las secciones inferiores donde las presiones medidas permanecen más altas que las predicciones teóricas, probablemente debido a la compleja redistribución de esfuerzos 3D y a los esfuerzos de tracción residuales.
• Impacto Cuantitativo de la Morfología del Valle:
  • Ángulo de Pendiente del Valle: Con una relación ancho-altura fija, el aumento del ángulo de la pendiente del valle de 20° a 90° incrementa la presión de tierra entre un 20% y un 57%. Este efecto es más pronunciado en elevaciones bajas.
  • Relación Ancho-Altura del Valle (Ancho de Base Fijo): La reducción de la relación ancho-altura de 11.41 a 5.91 (estrechamiento del valle) disminuye la presión de tierra entre un 20% y un 36%.
  • Relación Ancho-Altura del Valle (Ángulo de Pendiente Fijo): Cuando el ángulo de la pendiente es constante, la relación ancho-altura actúa como el parámetro de control dominante. La reducción de la relación de 15.7 a 2 provoca una drástica reducción de la presión de tierra del 84% al 86%.
• Mecanismo de Reducción: Los valles estrechos con pendientes pronunciadas inducen un efecto de arco de suelo y un confinamiento lateral más fuertes. Las laderas del valle actúan como contrafuertes naturales, transfiriendo las cargas del suelo suprayacente a las montañas laterales estables, reduciendo así significativamente la presión que actúa sobre las estructuras de retención internas en comparación con las predicciones teóricas 2D.

Significancia
El artículo sostiene que su investigación subsana los defectos de las teorías convencionales de presión de tierra 2D al proporcionar una base teórica que incorpora los efectos espaciales 3D del terreno del valle y las estructuras de presas de cara compuesta. La fórmula analítica derivada ofrece una herramienta refinada para el diseño, construcción y monitoreo de seguridad de las presas de enrocado de cara compuesta en regiones montañosas. Al cuantificar cómo la morfología del valle gobierna la presión de tierra, el estudio permite cálculos de esfuerzo y verificaciones de dimensiones estructurales más precisos, previniendo potencialmente el sobrediseño o el subdiseño de las secciones inferiores de la presa de gravedad. Los hallazgos sugieren que ignorar el confinamiento del valle conduce a discrepancias significativas en las evaluaciones de seguridad, y que el enfoque 3D propuesto es esencial para la realización segura de presas de gran altura en entornos topográficos complejos.