Colocación Bajo Agua de un Revestimiento de Geomembana de PVC en un Canal de Riego en Operación
FRED P. ROHE
Environmental Protection, Inc., 9939 US-131 South, Mancelona, MI 49659 USA
Telf.: 231-587-9108, Email pvcliner@geomembrane.com
Palabras-llave: Geosintéticos, Geomembrana de PVC, Canal, Irrigación, Soldadura Térmica, Caso Histórico, Diseño Geotecnico, Tecnologías Innovadoras.
Resumen
Por mas de 40 años se han usado geomembranas de PVC para controlar el flujo en canales de irrigación. El U.S. Bureau of Reclamation es responsable de la construcción y mantenimiento de muchos de esos canales en la parte oeste de los Estados Unidos. Environmental Protection, Inc. participó en el diseño y desarrollo de un prototipo para instalar un revestimiento de geomembrana de PVC, de 30 mil y 3 pulgadas (8 cm) de concreto bajo agua en una canal en operación. Este proyecto, dirigido y financiado por el Bureau of Reclamation, fue el primero de su clase en cualquier parte del mundo. Muchos suministradores trabajaron juntos para desarrollar e implementar una solución única a este complejo problema logístico. Esta ponencia explica el proceso de instalación de la geomembrana de PVC y del concreto bajo agua en el Canal Coachella en la parte sur de California. Este proyecto fue el comienzo de un significativo esfuerzo para conservar los recursos del agua y para reducir los costos de construcción y mantenimiento del canal.
1 INTRODUCCION
EPI fue seleccionada para proveer de un revestimiento de geomembrana de PVC de 30 mil, para un proyecto experimental por el U.S. Bureau of Reclamation. El proyecto, titulado "Prototipo de Revestimiento In-situ del Canal Coachella, Reubicación de Todos los Canales Americanos, California," fue el primero de su clase en el mundo. Después de terminado el proceso de licitación, el Bureau of Reclamation determine otorgar el contrato a Kiewit Pacific Company, de Santa Fe Springs, California. EPI fue contactado por los ingenieros diseñadores de Kiewit, para el suministro del revestimiento de geomembrana de PVC. La reunión inicial en Septiembre de 1988, involucró la investigación preliminar respecto de la factibilidad del diseño preliminar hecho por Mr. William Giroux. En lo siguientes meses, se hizo mucha investigación y desarrollo para resolver los problemas de manipuleo del revestimiento de PVC durante el proceso de colocación in-situ. Considerando que el proyecto se hizo bajo un programa fast track, se fabricó gran parte del equipo mientras se estaban investigando otros aspectos relacionados con el manipuleo del material de revestimiento de PVC. La fabricación de la geomembrana de PVC se completó entre Febrero y Marzo de 1989, con el embarco a California y la colocación del revestimiento en el canal a comienzos de Mayo de 1989.
2 MATERIALES
Se seleccionó al Cloruro de Polivinilo (PVC) como el material para la geomembrana de revestimiento para la aplicación bajo agua en el Canal de Coachella. La especificación del Bureau, estuvo basada en muchos factores, incluyendo:
· La disponibilidad de grandes paneles. El PVC fue fabricado en paneles de 17.60 m x 60 m (58.6' x 200').
· La geomembrana de PVC es altamente flexible y mantiene sus propiedades en un rango amplio de temperatura. Esto permite que el revestimiento se adapte a la sub-rasante, mejor que otros materiales de geomembranas disponibles.
· La geomembrana de PVC es fácilmente empalmada con soldadura por solventes. El PVC también tiene muy buenas propiedades resistentes contra el punzonamiento, la abrasión y el rasgado, las que son muy importantes para minimizar los daños durante la instalación.
· El PVC ha sido históricamente probado para su uso en revestimiento de canales, por más de 30 años por el Bureau of Reclamation.
Considerando que el revestimiento del canal se hizo en dos pasadas, requiriendo una costura longitudinal al centro del canal (Figura 1), fue necesario usar una geomembrana que pudiera sellarse bajo agua. Toda vez que una costura longitudinal podría no proporcionar el control de flujo necesario, el Bureau requirió de estudios de laboratorio, concluyendo que un adhesivo de vinil usado para reparar piscinas, era el apropiado para esta costura. Los resultados de los ensayos de laboratorio sobre la resistencia de la costura, demostraron que era comparable con las costuras normalmente hechas en el campo, aunque fueran hechas bajo agua. La costura también eliminó la posibilidad de fugas en el traslape longitudinal.
Figura 1
También hubo preocupación respecto de la tendencia del concreto fresco a deslizar por los taludes laterales del canal. Los requerimientos del diseño inicial, advirtieron sobre la aplicación de un geotextil no tejido de 120 gr/m2 (3.4 onzas por yarda cuadrada) sobre las caras laterales en la parte superior del PVC. La solución final involucró que el contratista pegue este geotextil al revestimiento de PVC en sus instalaciones de Santa Fe Springs. Los paneles del revestimiento fueron luego enrollados antes de su instalación en el lugar de la obra. Ahora se encuentra disponible para futuros proyectos, un producto laminado en fábrica, que proporciona el PVC de 30 mil y un geotextil no tejido a uno o ambos lados del revestimiento. Este material también se está usando en aplicaciones de revestimiento de túneles y ahorra considerable tiempo y mano de obra por la colocación de ambos materiales al mismo tiempo.
Desde que el material fabricado en geomembrana de PVC nunca había sido usado en este tipo de aplicación, no habían datos disponibles sobre como se comportaría la geomembrana durante el procedimiento de instalación bajo agua. El concepto preliminar de diseño, propuesto por Mr. Giroux, involucraba sostener el PVC de manera similar a la de la guía de los soportes laterales de una puerta de garaje levadiza. El diseño de los soportes obligó a la inclusión de una basta en el material de revestimiento a ambos lados del panel. Esta basta fue rellenada con una cuerda para proporcionar cuerpo y sostener al revestimiento en forma segura en la guía del soporte (Figura 1).
El desarrollo de la basta/guía, involucró el uso de una cuerda de nylon encamisetada. Para el desarrollo de datos acerca del comportamiento del revestimiento en esta aplicación, EPI fabricó para Kiewit Pacific, algunas muestras de tamaño natural del revestimiento de PVC. Adicionalmente, EPI fabricó una pequeña sección del revestimiento de 18 m de ancho, la cual se remitió a la oficina de Mr. Giroux en Omaha, Nebraska. Mr. Giroux procedió a ensayarla en la piscina de la YMCA en Omaha. De los datos generados en esos ensayos, él determinó que el soporte del revestimiento en ambos lados externos, debería ser suficiente para controlar la colocación final del revestimiento. Luego se modificó el diseño para tener dos pistas guía centrales, una al pie del talud y una en la línea central del canal. Las guías externas deberían estar en la parte superior del talud y en el borde superior del traslape de 30 cm en el fondo del. Las guías centrales presentaron un problema en que una costura tipo basta, estaría sujeta a fuerzas que podrían exceder la resistencia a la peladura normal en las costuras.
El desafío para EPI fue desarrollar un proceso de fabricación que fuera efectivo y de costo competitivo para la fabricación de los paneles para este proyecto. EPI desarrolló un sistema por el cual las sogas deberían estar ancladas en el revestimiento de PVC y las costuras hechas con resistencia suficiente para soportar las fuerzas que tendrían lugar sobre el revestimiento, durante la colocación bajo agua de la geomembrana. Las técnicas finales de fabricación son propiedad del proceso de Environmental Protection, Inc. El proceso fue inspeccionado en operación por el U.S. Bureau of Reclamation. Todos los paneles fabricados fueron ensayados para determinar la resistencia en la unión de la costura y la adhesión de peladura de las costuras en fábrica y una muestra de cada rollo de material fue proporcionada al Bureau of Reclamation para la determinación de sus propiedades físicas. Adicionalmente, se ensayaron todos los materiales suministrados para el proyecto, para verificar el cumplimiento de las especificaciones.
3 DISCUSION
Este proyecto prototipo fue para revestir 2.4 km el Canal Coachella cerca a Niland, California. El canal en este tramo tenía aproximadamente 3 m de ancho y 2.70 m de profundidad. Los taludes laterales del canal eran de aproximadamente 2.5:1. Considerando que el canal fue construido en 1942, en un suelo arenoso desértico, fue necesario reconformar el anal antes de la colocación del revestimiento y del concreto. Kiewit Pacific diseñó y construyó una máquina para dragar el canal y colocar una nueva sub-base de piedra chancada. Esta máquina, afectuosamente conocida como Trimmer, precede a la unidad de pavimentación y reconforma los lados y el fondo del canal a la pendiente y alineamiento requeridos.
Figura 2
Después que se completó la conformación, la unidad de pavimentación procedió a viajar a lo largo del canal, colocando el compuesto PVC/geotextil en su lugar, directamente en frente de una pavimentadora de encofrados deslizantes, diseñada y construida por Gomaco de Ida Grove, Nebraska. Después de pavimentar una mitad del canal, se giró la máquina y se procedió a pavimentar la otra mitad en dirección opuesta. En base al diseño, velocidad y disponibilidad de concreto, trabajando 24 horas al día, se estimó que la pavimentación de 2.4 km en una dirección se debía cumplir en 3 días.
La operación inicial de pavimentación fue iniciada en Mayo de 1989. En ese momento, los requerimientos de uso del agua en la parte sur de California habían alcanzado su pico. Fue necesario regular el flujo del agua, de tal manera que todos los ajustes de operación de la unidad de pavimentación se cumplieran de un modo razonable. Inicialmente, se colocaron alrededor de 360 m de revestimiento durante inicios de Mayo. Se encontraron serios problemas en las áreas de suelos blandos en el fondo del canal. A medida que se iba añadiendo peso del concreto al suelo debajo del revestimiento, se fue creando una onda de lodo al frente de la pavimentadora. Este lodo debería entorpecer el deslizamiento del revestimiento frente a la pavimentadora, causando el desbastado o el desgarramiento. Se tuvieron que hacer modificaciones al equipo para acomodarse al substrato blando que sobre yace al fondo del canal en algunas áreas. El proyecto fue previsto para 1989 debido a los requerimientos de uso del agua de irrigación durante los meses de verano y el tiempo requerido para las modificaciones.
Figura 3
Durante este tiempo, EPI hizo investigación y desarrollo significativos acerca del uso de soldadores de borde para la soldadura térmica de las geomembranas de PVC. La intención fue desarrollar métodos para extender la etapa de instalación de la geomembrana de PVC en Michigan. Comenzar mas temprano en primavera y trabajando hasta tarde en otoño podría ser ventajoso. El uso de soldadura térmica debería proporcionar la habilidad para soldar PVC cuando las condiciones del clima no fueran favorables para la costura química o usando adhesivos. La investigación y desarrollo de EPI probó ser muy importante para el éxito del proyecto de revestimiento in-situ del Canal Coachella.
Figura 4
El proyecto resumido en Marzo de 1990. El sistema de suministro de concreto fue rediseñado usando fajas transportadoras a un lado del canal y bombas de concreto en el lado opuesto. Toda vez que la tolva de alimentación de las pavimentadoras requieren un mínimo de 11 m3 de concreto para la carga inicial, los requerimientos de suministro del concreto son muy extensos y críticos para el éxito de la obra.
La modificación mas significativa fue la adición de una serie de planchas cuadradas de presión de 1.50 m directamente al frente de la pavimentadora. Las planchas de presión se extienden a todo lo ancho de la pavimentadora y 1.50 m al frente de la tolva de alimentación para el concreto. La geomembrana de PVC fue colocada en el fondo del canal, directamente en frente de las planchas de presión. Cada una de las 12 planchas de presión se regularon mediante el ajuste de cilindros hidráulicos y sensores de presión. Los sensores de presión fueron conectados a una computadora en la consola del operador. A medida que la pavimentadora viajaba hacia delante colocando concreto en el canal, la computadora monitoreaba la presión ejercida bajo los platos de presión al frente de la tolva de alimentación (Figura 4).
Si había suelo blando forzando el lodo hacia delante, bajo las planchas de presión, los sensores registraban el incremento de presión y hacían que la plancha y de ser necesario, la tolva de alimentación se elevaran hasta que la presión estuviera a un nivel aceptable, permitiendo continuar el movimiento hacia adelante, sin entrampar ni rasgar el revestimiento.
Si se encontraban condiciones de suelos mas estables y la presión decrecía bajo las planchas de presión, los sensores registraban el decremento en la presión y hacían que la plancha y de ser necesario la tolva de alimentación, descendieran hasta que la presión estuviera en un nivel aceptable, permitiendo que un espesor apropiado del concreto sea colocado en el fondo del canal.
Este sistema trabajo excelentemente, permitiendo que la primera mitad de los 2.75 km del canal, sea completada en solamente 6 días. La máquina fue girada y se pavimentó la segunda mitad del canal en dirección opuesta. La segunda mitad se complete en un menor tiempo aún.
EPI también fue requerida para proporcionar asistencia técnica a los técnicos soldadores sobre la geomembrana y soldadura térmica de los paneles del revestimiento de PVC durante el proceso de pavimentación. Las tasas de avance fueron típicamente de alrededor de 1m por minuto, pero alcanzó hasta 2 m por minuto en la segunda pasada. Se alcanzaron tasas de producción tan altas como 7,240 m por día. A esas tasas elevadas fue necesario preparar un panel de geomembrana, desplegar el revestimiento de PVC y soldar una costura de 20 m, cada 35 a 40 minutos! El proceso de pavimentación nunca quedó demorado esperando que el revestimiento de PVC sea puesto en el sitio, listo para proceder.
4 RESUMEN
Esta sección del Canal de Coachella Canal fue completamente desecada en Marzo de 1991, para permitir la conexión de las secciones finales a los sifones en cada extreme. Esto permitió la inspección del concreto, de la junta longitudinal del concreto y de la condición del canal. También se hizo un extenso monitoreo de las filtraciones, para evaluar la efectividad del proceso de revestimiento in-situ.
La selección del revestimiento de PVC para este proyecto ha probado ser una excelente elección. La fabricación usual del revestimiento de PVC para su manipuleo durante la colocación con este equipo se cumplió con un costo adicional mínimo para el revestimiento de geomembrana. Adicionalmente, el comportamiento de la combinación revestimiento – geotextil para este proyecto, ha mostrado ser muy satisfactorio. Después de completar el revestimiento de esta sección, el Bureau of Reclamation monitoreará el comportamiento para determinar si hay secciones adicionales que se deben revestir y completar en el futuro. Las secciones del canal All-American, que alimenta al Canal Coachella, también se investigaron para verificar potenciales esfuerzos de revestimiento. Antes de empezar el proyecto se llevó a cabo un estudio de impacto ambiental, orientado a verificar la calidad del agua por consideraciones de medio ambiente.
Un extenso monitoreo de la calidad el agua se llevó cabo durante la colocación del concreto y el revestimiento en el canal. No han ocurrido ni se han anticipado efectos adversos al medio ambiente. Considerando que el canal mantiene 16 especies diferentes de peces, así como el agua de irrigación del Valle Coachella, las prioridades medio ambientales son muy importantes.
EPI proporcionó entrenamiento in-situ para la colocación y suministró soldadores y técnicos par alas costuras de la geomembrana de PVC. El Bureau of Reclamation también proporcionó la inspección in-situ y bel aseguramiento de la calidad del proyecto. Adicionalmente, EPI proporcionó muestras de soldadura de fábrica tomadas al azar de cada panel de PVC panel para los ensayos físicos por el Bureau of Reclamation. EPI también proporcionó el ensayo de costuras de fábrica de cada panel de geomembrana. La geomembrana fue ensayada por el Bureau of Reclamation sobre una base aleatoria antes del despacho a la obra. El fabricante de la membrana de PVC también coordinó sus ensayos de calidad en su laboratorio de fábrica con las oficinas de Control de Calidad del Bureau of Reclamation y de EPI. Esta combinación de esfuerzos aseguró que el producto final instalado para este prototipo cumple los requerimientos de las especificaciones del Bureau.
5 CONCLUSIONES
Se ha estimado que por el revestimiento de este canal, se conservarán hasta 115,000 acres anualmente (suficiente agua fresca hasta para 150,000 familias). Los beneficios de los usuarios generados por el agua ahorrada, sobrepasan los costos del revestimiento del canal. El contrato de 5.2 millones de dólares fue compartido por el Bureau of Reclamation (40%), así como por el Metropolitan Water District (54%) y el Imperial Irrigation District (6%), los cuales sirvieron a los usuarios finales del canal. El costo estimado para revestir el resto de los Canales Coachella y All-American, se estima en $170 millones de dólares. Si los estimados iniciales son verdaderos, esto es alrededor del 40% menos que la alternativa de construir secciones nuevas de canal.
El desarrollo de este sistema prototipo de revestimiento ha producido un Nuevo método de conservar el agua y ha proporcionado un método de rehabilitación de canales existentes que han estado en servicio por mucos años. El desarrollo de equipo y de un proceso para colocar una geomembrana de PVC bajo agua, sin disturbar o restringir el suministro, será un beneficio al mantenimiento eventual de largo plazo de este sistema de suministro de agua. Este proyecto está siendo visto y analizado por ingenieros y profesionales del agua de todo el mundo.
REFERENCIAS
“Workshop on In place Lining Prototype - Coachella Canal”, American Water Foundation - May 8, 1989, Palm Springs, California.
Rebant, Daniel B., "Underwater Lining of Canal Promises Huge Savings in both Water and Money", Geotechnical Fabrics Report, November, 1989.
Solicitation/Specifications, "Coachella Canal In place Lining Prototype", Bureau of Reclamation, Lower Colorado Region, P. O. Box 427, Boulder City, NV
Morrison, W.R. and Starbuck, J.G., "Performance of Plastic Canal Linings" Report #REC-ERC-84-1, Bureau of Reclamation, Denver, Colorado, 1984.
Morrison, W.R. and Swihart, J.J., "Bureau of Reclamation Experiences with PVC Seams", The Seaming of Geosynthetics, Geosynthetics Research Institute, Philadelphia, PA, 1989.
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