calculo de infiltración bidimensional - presa iruro

202
UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA DE FLUIDOS Proyecto Acarí – Bella Unión: Análisis e interpretación numérica bidimensional del cálculo de infiltración en el área de emplazamiento de la Presa Iruro TESIS Para optar el Título Profesional de Ingeniero mecánico de fluidos AUTOR Jayr Herbert Sahuanay Blácido Lima – Perú 2012

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Page 1: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS

ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA

MECÁNICA DE FLUIDOS

Proyecto Acarí – Bella Unión: Análisis e interpretación

numérica bidimensional del cálculo de infiltración en el

área de emplazamiento de la Presa Iruro

TESIS

Para optar el Título Profesional de Ingeniero mecánico de fluidos

AUTOR

Jayr Herbert Sahuanay Blácido

Lima – Perú

2012

Page 2: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

DEDICATORIA

A mis padres Herbert y Patricia que durante largos años han sufrido con paciencia

la espera, anhelando ver concluido este propósito, y que sin su constante apoyo,

éste trabajo no hubiera podido ser realizado.

Page 3: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

ÍNDICE

PÁG.

CAPÍTULO I – ASPECTOS GENERALES

1.1. ANTECEDENTES

001

1.2. OBJETIVO DEL ESTUDIO 002

1.2.1. OBJETIVO GENERAL 002

1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICO 002

1.3. METODOLOGÍA EMPLEADA 003

1.4. GENERALIDADES DEL PROYECTO 003

1.4.1. UBICACIÓN GEOGRÁFICA 003

1.4.2. HIDROLOGÍA 004

1.4.2.1. HIDROGRAFÍA 004

1.4.2.2. OFERTA DE LA CUENCA COLECTORA 005

1.4.3. AGROLOGÍA 006

1.4.3.1. EXTENSIÓN DEL ÁREA BENEFICIADA 006

1.4.3.2. DEMANDA HÍDRICA 007

1.4.4. INGENIERÍA DEL PROYECTO 008

1.4.4.1. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LA PRESA 008

1.4.4.2. CONFORMACIÓN DEL CUERPO DE LA PRESA 008

1.4.5. SITUACIÓN ACTUAL DE LA PRESA 009

CAPÍTULO II – CARACTERÍSTICAS GEOLÓGICAS DE LA ZONA DE CIERRE DE LA PRESA PÁG.

2.1. GEOLOGÍA REGIONAL 011

2.1.1. GEOMORFOLOGÍA 011

2.1.2. ESTRATIGRAFÍA 012

2.1.3. GEOLOGÍA ESTRUCTURAL 017

2.1.4. GEODINÁMICA EXTERNA 018

2.1.5. SISMICIDAD 018

2.2. GEOLOGÍA GENERAL DEL ÁREA DE INTERÉS 019

2.2.1. GEOMORFOLOGÍA 019

2.2.2. ESTRATIGRAFÍA 020

2.2.3. GEOLOGÍA ESTRUCTURAL 028

2.3. GEOLOGÍA LOCAL DEL CAÑÓN IRURO 031

2.3.1. GEOMORFOLOGÍA 031

2.3.2. ESTRATIGRAFÍA 032

2.3.3. EL CAUCE DEL CAÑÓN 034

2.4. GEOLOGÍA LOCAL DE LA ZONA DE CIERRE DE LA PRESA IRURO 035

2.4.1. GEOMORFOLOGÍA 036

2.4.2. ESTRATIGRAFÍA 038

2.4.3. GEOLOGÍA ESTRUCTURAL 039

2.4.4. ESTABILIDAD DE TALUDES 040

2.5. APRECIACIÓN INGENIERO-GEOLÓGICA 041

CAPÍTULO III – REVISIÓN E INTERPRETACIÓN DE LAS INVESTIGACIONES GEOFÍSICAS Y GEOTÉCNICAS

PÁG.

3.1. INTRODUCCIÓN

044

Page 4: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

3.2. INVESTIGACIONES GEOFÍSICAS 046

3.2.1. GENERALIDADES 046

3.2.2. OBJETIVO DE LOS TRABAJOS 046

3.2.3. DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN 046

3.2.3.1. MÉTODO DE REFRACCIÓN SÍSMICA 046

3.2.3.2. MÉTODO DE ANÁLISIS DE ONDAS SUPERFICIALES MASW 049

3.2.3.3. TRABAJOS DE CAMPO 051

3.2.3.4. RESULTADOS DEL ENSAYO DE REFRACCIÓN SÍSMICA Y DEL MÉTODO MASW

052

3.2.4 EVALUACIÓN DE LA REFRACCIÓN SÍSMICA Y ANÁLISIS DE LA TÉCNICA MASW 054

3.2.5. INTERPRETACIÓN DE LOS PERFILES SÍSMICOS 056

3.2.6. CONCLUSIONES 061

3.3. INVESTIGACIONES GEOTÉCNICAS Y GEONÓSTICAS 062

3.3.1. GENERALIDADES 062

3.3.2. OBJETIVO DE LOS TRABAJOS 063

3.3.3. PERFORACIONES REALIZADAS 063

3.3.3.1. INFORMACIÓN GENERAL DE LOS SONDAJES 063

3.3.3.2. DESCRIPCIÓN DE LOS SONDEOS 067

3.3.3.3. ÍNDICE RQD (ROCK QUALITY DESIGNATION) 070

3.3.4. ENSAYOS DE PERMEABILIDAD GEOTÉCNICOS EN SONDAJES 073

3.3.4.1. ENSAYOS DE LEFRANC 073

3.3.4.2. ENSAYOS DE LUGEÓN 074

3.3.5. CAJAS PORTATESTIGOS 076

3.3.6. CONCLUSIONES 078

3.4. DESCRIPCIÓN DEL PERFIL ESTRATIGRÁFICO DEL SUELO DE CIMENTACIÓN 079

3.4.1. SUELO DE CIMENTACIÓN EN EL EJE DE PRESA 079

3.4.2. DETERMINACIÓN DE PERFILES ESTATIGRÁFICOS DE ACUERDO A LOS ESTUDIOS

REALIZADOS

088

3.4.3. DETERMINACIÓN DEL PERFIL CRÍTICO PARA EL ANÁLISIS NUMÉRICO 092

CAPÍTULO IV – ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN NUMÉRICA BIDIMENSIONAL DEL CÁLCULO DE INFILTRACIÓN

PÁG.

4.1. INTRODUCCIÓN

098

4.2. CONCEPTOS TEÓRICOS FUNDAMENTALES 099

4.2.1. LEY DE DARCY 099

4.2.2. INTERVALO DE VALIDEZ DE LA LEY DE DARCY 101

4.2.3. COEFICIENTE DE RESISTENCIA DE UN MEDIO POROSO 104

4.2.4. FÓRMULAS DE RESISTENCIA 107

4.2.5. APRECIACIÓN INGENIERIL 109

4.2.6. EL COEFICIENTE DE CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA “K” 110

4.3. ECUACIONES DEL FLUJO EN MEDIOS POROSOS 113

4.4. MÉTODOS DE SOLUCIÓN PARA RÉGIMEN PERMANENTE O ESTACIONARIO – SOLUCIÓN DE LA ECUACIÓN DE LAPLACE

117

4.4.1. REDES DE FLUJO 118

4.4.1.1. CONDICIONES DE FRONTERA 118

4.4.1.2. LÍNEAS EQUIPOTENCIALES Y LÍNEAS DE CORRIENTE 123

4.4.2. MODELOS FÍSICOS 126

4.4.2.1. MODELOS DE ANALOGÍA ELÉCTRICA 126

Page 5: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

4.4.2.2. MODELOS DE ARENA 127

4.4.2.3. MODELOS DE FLUJO VISCOSO 127

4.4.3. MÉTODOS ANALÍTICOS 128

4.4.3.1. TRANSFORMACIONES, MAPEOS 128

4.4.3.2. MÉTODOS DE LOS FRAGMENTOS 129

4.4.3.3. SOLUCIONES CERRADAS 134

4.4.4. MÉTODOS NUMÉRICOS Y COMPUTACIONALES 135

4.4.4.1. MÉTODO DE DIFERENCIAS FINITAS 135

4.4.4.2. MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS 139

4.5. FORMULACIÓN DE LOS ELEMENTOS FINITOS 142

4.5.1. ESTIMACIÓN DE LA PRECISIÓN 146

4.6. APLICACIÓN DE LOS ELEMENTOS FINITOS EN EL CALCULO DE LA INFILTRACIÓN POR LA CIMENTACIÓN DE LA PRESA IRURO

147

4.7. REVISIÓN DEL SOFTWARE EXISTENTE PARA INFILTRACIÓN 154

4.7.1. CRITERIOS DE SIMULACIÓN DE LA APLICACIÓN SOFTWARE SLIDE V.6.0 154

4.7.2. CONDICIONES GENERALES PARA EL MODELO 155

4.7.2.1. CONDICIONES DE FRONTERA 155

4.7.2.2. PARÁMETROS INGRESADOS AL SOFTWARE SLIDE V.6.0 156

4.7.3. RESULTADOS OBTENIDOS 157

4.8. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN NUMÉRICA DEL CALCULO DE INFILTRACIÓN 162

CAPÍTULO V – REVISIÓN DE LAS DISTINTAS TECNOLOGÍAS DE IMPERMEABILIZACIÓN EXISTENTES

PÁG.

5.1. TRATAMIENTO DE GRIETAS 164

5.2. TECNOLOGÍA DE IMPERMEABILIZACIÓN 165

5.2.1. CORTINAS RELATIVAMENTE ANCHO Y CON ZANJAS POCO PROFUNDAS 165

5.2.2. CORTINAS DEL TIPO DIAFRAGMA DELGADO, RESULTADO DE LOS AVANCES LOGRADOS EN LOS PROCESOS GEOTÉCNICOS

166

5.2.3. CORTINAS DEL TIPO DE ZONA INYECTADA 167

5.2.3.1. INYECCIONES 168

5.2.3.2. TIPOS DE TRATAMIENTO 169

5.2.3.3. MEDIOS INYECTABLES 169

5.2.3.4. MEZCLAS O LECHADAS 170

5.2.3.5. FUNDAMENTOS TEÓRICOS 171

5.2.3.6. PRESIONES DE INYECCIÓN 174

5.2.3.7. NORMAS GENERALES 175

5.2.3.8. TAPETES Y PANTALLAS 177

5.2.3.9. COSTOS APROXIMADOS 180

5.2.4. IMPERMEABILIZACIÓN DE LA CIMENTACIÓN DE LA PRESA IRURO 180

5.3. DISEÑO DE LA IMPERMEABILIZACIÓN DE LA CIMENTACIÓN DE LA PRESA 184

5.3.1. CONDICIONES GENERALES 184

CAPÍTULO VI – CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES PÁG.

6.1. CONCLUSIONES

188

6.2. RECOMENDACIONES 189

Page 6: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

RELACIÓN DE FIGURAS PÁG.

Figura Nº 1 UBICACIÓN GEOGRÁFICA DEL PROYECTO IRRIGACIÓN ACARÍ – BELLA UNIÓN

004

Figura Nº 2 CONFORMACIÓN DEL CUERPO DE LA PRESA 009

Figura Nº 3 GEOLOGÍA A NIVEL REGIONAL DEL ÁREA DE ESTUDIO (FUENTE CARTA GEOLÓGICA HOJA 29-Ñ, INGEMMET))

013

Figura Nº 4

DISPOSICIÓN EN EL CAMPO DE UN SISMÓGRAFO DE 24 CANALES MOSTRANDO LA DIRECCIÓN DE LAS ONDAS SÍSMICAS DIRECTAS Y REFRACTADAS, EN UN SISTEMA SUELO/ROCA DE 2 ESTRATOS. (α = ÁNGULO CRÍTICO).

048

Figura Nº 5 DISPOSICIÓN EN EL CAMPO DE LOS GEÓFONOS Y SHOT (PUNTOS DE DISPARO).

048

Figura Nº 6 OBTENCIÓN DE DROMOCRÓNICAS, VELOCIDADES Y ESTRATOS. 049

Figura Nº 7 PROCESOS DE ANÁLISIS DE LA TÉCNICA DEL MASW. 050

Figura Nº 8 DISTRIBUCIÓN DE LAS LÍNEAS SÍSMICAS REALIZADAS 052

Figura Nº 9 LÍNEA SÍSMICA LS-01 058

Figura Nº 10 LÍNEA SÍSMICA LS-02 058

Figura Nº 11 LÍNEA SÍSMICA LS-03 058

Figura Nº 12 LÍNEA SÍSMICA LS-04 059

Figura Nº 13 LÍNEA SÍSMICA LS-05 059

Figura Nº 14 LÍNEA SÍSMICA LS-06 059

Figura Nº 15 LÍNEA SÍSMICA LS-07 060

Figura Nº 16 LÍNEA SÍSMICA LS-08 060

Figura Nº 17 LÍNEA SÍSMICA LS-09 060

Figura Nº 18 LÍNEA SÍSMICA LS-10 061

Figura Nº 19 UBICACIÓN DE LOS PUNTOS DE PERFORACIÓN 064

Figura Nº 20 DISTRIBUCIÓN DE LOS PUNTOS DE PERFORACIÓN 089

Figura Nº 21 LÍNEAS DE ESTUDIO PROPUESTOS PARA EL ANÁLISIS DE INFILTRACIÓN 090

Figura Nº 22 PERFIL GEOLÓGICO DE LA LÍNEA DE ESTUDIO Nº1 091

Figura Nº 23 PERFIL GEOLÓGICO DE LA LÍNEA DE ESTUDIO Nº2 092

Figura Nº 24 PERFIL GEOLÓGICO DE LA LÍNEA DE ESTUDIO Nº3 092

Figura Nº 25 PERFIL GEOLÓGICO CRÍTICO 094

Figura Nº 26 PERFIL GEOLÓGICO CRÍTICO ESTRATIFICADO PARA LA SOLUCIÓN NUMÉRICA

095

Figura Nº 27 PERFIL GEOLÓGICO CRÍTICO DISCRETIZACIÓN PARA LA SOLUCIÓN NUMÉRICA

096

Figura Nº 28 LEY DE BERNOULLI MODIFICADA PARA EL FLUJO DE AGUA EN SUELOS 100

Figura Nº 29 DISPOSICIÓN DE SUPERFICIE PARA CALCULO DE PERMEABILIDAD KH y KV

111

Figura Nº 30 FLUJO CONFINADO BAJO LA CIMENTACIÓN 120

Figura Nº 31 FLUJO NO CONFINADO A TRAVÉS DE UNA PRESA 120

Figura Nº 32 CONDICIÓN DE INTERSECCIÓN DE LAS EQUIPOTENCIALES CON LA LÍNEA SUPERIOR DE FLUJO

121

Figura Nº 33 CONDICIONES DE ENTRADA Y DE SALIDA DE LA LÍNEA SUPERIOR DE FLUJO (TOMADOS DE CASAGRANDE, 1925-1940)

122

Page 7: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

Figura Nº 34 CONDICIÓN DE INTERSECCIÓN DE LAS EQUIPOTENCIALES CON LA LÍNEA SUPERIOR DE FLUJO,(MARSAL Y RESENDIZ NUÑEZ,•1975)

124

Figura Nº 35 RESUMEN DE TIPOS DE FRAGMENTOS Y FACTORES DE FORMA, (ADAPTADO DEL U.S. ARMY CORPS OF ENGINEERS, 1993)

131

Figura Nº 36 ELEMENTOS FINITOS BIDIMENSIONALES MÁS UTILIZADOS 140

Figura Nº 37 CARACTERÍSTICAS GENERALES Y DE FRONTERA PARA LA PRESA IRURO 149

Figura Nº 38 MODELO DISCRETIZADO 151

Figura Nº 39 CASO Nº1: RED DE FLUJO 158

Figura Nº 40 CASO Nº1: VELOCIDAD DE DESCARGA 159

Figura Nº 41 CASO Nº1: GRADIENTE HIDRÁULICO 160

Figura Nº 42 CAUDAL UNITARIO DE INFILTRACIÓN (q) 161

Figura Nº 43 CORTINA DE ZANJA ABIERTA (SOLO A PROFUNDIDADES MODERADAS) 166

Figura Nº 44 CORTINA DE DIAFRAGMA (NO NECESITA PENETRAR A CAPAS IMPERMEABLES)

167

Figura Nº 45 CAPA AGUAS ARRIBA (PUEDE EMPLEARSE DRENES INFERIORES CON POZOS DE ALIVIO

167

Figura Nº 46 CORTINA INYECTADA (NO NECESITA PENETRAR CAPAS IMPERMEABLES) 168

Figura Nº 47 TRATAMIENTO DE CIMENTACIONES ROCOSAS 171

Figura Nº 48 VARIACIÓN DEL PROCESO DE INYECCIÓN EN GRIETAS 174

RELACIÓN DE CUADROS

Cuadro Nº 1 PARÁMETROS GEOMORFOLÓGICOS CUENCA IRURO 005

Cuadro Nº 2 ÁREAS AGRÍCOLAS BENEFICIADAS POR EL PROYECTO 006

Cuadro Nº 3 DEMANDA HÍDRICA DEL PROYECTO 007

Cuadro Nº 4 PARÁMETROS GEOTÉCNICOS 008

Cuadro Nº 5 SECUENCIA Y RELACIONES ESTRATIGRÁFICAS GENERALIZADAS 014

Cuadro Nº 6 DISTRIBUCIÓN DE LAS LÍNEAS SÍSMICAS Y ESTACIONES DEL MASW 051

Cuadro Nº 7 RESULTADOS DE LÍNEAS GEOFÍSICAS 053

Cuadro Nº 8 PROFUNDIDADES DE LOS ESTRATOS DE LAS LÍNEAS SÍSMICAS 053

Cuadro Nº 9 RESULTADOS DE LAS ESTACIONES DE LA TÉCNICA DEL MASW 054

Cuadro Nº 10 ARCE HELBERG (1990) 055

Cuadro Nº 11 ASTM D 5777 – 95 055

Cuadro Nº 12 CASO: CURVICH J. (1975), DOBRIN, MILTON (1961), NB (1976), SAVICHA Y SATONOV V.A. (1979)

055

Cuadro Nº 13 RECOPILACIÓN DE MARTÍNEZ VARGAS A. (1990) 055

Cuadro Nº 14 RECOPILACIÓN MARTÍNEZ DEL ROSARIO J. 1997 056

Cuadro Nº 15 LÍNEAS DE PERFORACIÓN 063

Cuadro Nº 16 RESUMEN PERFORACIONES REALIZADAS 065

Cuadro Nº 17 INCIDENCIAS OCURRIDAS DURANTE LA PERFORACIÓN SONDEO Nº1 065

Cuadro Nº 18 INCIDENCIAS OCURRIDAS DURANTE LA PERFORACIÓN SONDEO Nº2 066

Cuadro Nº 19 INCIDENCIAS OCURRIDAS DURANTE LA PERFORACIÓN SONDEO Nº3 066

Cuadro Nº 20 DESCRIPCIÓN LITOLÓGICA SONDEO Nº1 067

Cuadro Nº 21 DESCRIPCIÓN LITOLÓGICA SONDEO Nº2 068

Cuadro Nº 22 DESCRIPCIÓN LITOLÓGICA SONDEO Nº3 069

Page 8: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

Cuadro Nº 23 ÍNDICE RQD SONDEO Nº1 070

Cuadro Nº 24 ÍNDICE RQD SONDEO Nº2 071

Cuadro Nº 25 ÍNDICE RQD SONDEO Nº3 072

Cuadro Nº 26 ENSAYOS DE PERMEABILIDAD S-01 075

Cuadro Nº 27 ENSAYOS DE PERMEABILIDAD S-02 075

Cuadro Nº 28 ENSAYOS DE PERMEABILIDAD S-03 076

Cuadro Nº 29 DISTRIBUCIÓN DE TESTIGOS S-01 077

Cuadro Nº 30 DISTRIBUCIÓN DE TESTIGOS S-02 077

Cuadro Nº 31 DISTRIBUCIÓN DE TESTIGOS S-03 077

Cuadro Nº 32 INTERVALO APROXIMADO DE, K 112

Cuadro Nº 33 VALORES DE K EN CM/SEG 113

Cuadro Nº 34 MÉTODOS DE SOLUCIÓN PARA INFILTRACIÓN, (RADHAKRISHNA, 1978)

117

Cuadro Nº 35 NIVELES DE AGUA PARA LA SIMULACIÓN DE INFILTRACIÓN 148

Cuadro Nº 36 DETERMINACIÓN DEL ANCHO PROMEDIO DEL CAÑÓN IRURO 148

Cuadro Nº 37 COORDENADAS CARTESIANAS DE LA CARGA DE AGUA 152

Cuadro Nº 38 RESULTADOS DE CALCULO DE INFILTRACIÓN 153

Cuadro Nº 39 PROYECCIÓN DE LA INFILTRACIÓN ANUAL 153

Cuadro Nº 40 CARACTERÍSTICAS PARTICULARES CUERPO DE PRESA 155

Cuadro Nº 41 CARACTERÍSTICAS PARTICULARES CIMENTACIÓN DE LA PRESA 156

Cuadro Nº 42 RESULTADOS DE CALCULO DE INFILTRACIÓN 161

Cuadro Nº 43 CALCULO DE VOLUMEN MENSUAL DE INFILTRACIÓN 161

Cuadro Nº 44 VOLUMEN ANUAL APROXIMADO DE INFILTRACIÓN 162

Cuadro Nº 45 TRATAMIENTO DE CIMENTACIONES ROCOSAS 172

Cuadro Nº 46 PRESUPUESTO APROXIMADO DE INYECCIÓN DE CONSOLIDACIÓN 180

Page 9: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

INTRODUCCIÓN

La Presa de Iruro, es un componente importante del Proyecto: “ACARÍ – BELLA

UNIÓN II ETAPA DE CONSTRUCCIÓN DE LA REPRESA IRURO”, que responde

a la necesidad de satisfacer la demanda hídrica con fines de riego de 10,249 ha.

de terreno agrícola, en 4 distritos en los departamento de Ayacucho y Arequipa;

por lo que, la culminación de la construcción de la misma, es de mucho interés

socioeconómico.

Con la finalidad de realizar el análisis e interpretación numérica bidimensional del

cálculo de infiltración en el área de emplazamiento de la presa Iruro, el presente

trabajo se fundamenta en la revisión de los estudios geológico – geotécnico de la

zona de cierre de la presa y de las distintas tecnologías de impermeabilización

existentes.

De las investigaciones geofísicas y geotécnicas realizadas en campo, se

determinó un perfil crítico representativo de la cimentación, cuyas propiedades

físicas y estratigráficas, son resultado de la aproximación de la información

obtenida en campo en los diferentes estudios y etapas del proyecto.

Para el análisis de infiltración en particular, se desarrolló el método numérico de

los elementos finitos como método de solución, y cuyos resultados fueron

verificados a través del Software Slide V. 6.0, obteniéndose un diferencia del

0.5% sobre los resultados de los elementos finitos, existiendo un grado de

confiabilidad.

Según el modelamiento numérico bidimensional realizado, existe un caudal

unitario de infiltración promedio bajo la cimentación de la Presa Iruro de q =

6.012E-05 m3/seg/m y una velocidad promedio 3.713 cm/día, lo que indica una

velocidad de infiltración moderada.

Se realizó la revisión las diferentes tecnologías de impermeabilización actuales

para el tratamiento de problemas de permeabilidad secundaria; siendo el rastrillo

del tipo de zona inyectada el empleado en la consolidación de la cimentación de

la Presa Iruro y de la cual existen evidencias en campo.

Page 10: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

1

CAPÍTULO I – ASPECTOS GENERALES

1.1. ANTECEDENTES

El Proyecto Irrigación Acarí – Bella Unión, dentro de la estructura

proyectada contempla la construcción de la Presa Iruro, la cual ha

requerido la realización de estudios básicos de Hidrología, Agrología,

Geología y Geotecnia previos al diseño de los componentes de obra,

teniendo mayor implicancia el estudio Geológico y Geotécnico de la Presa.

Estos estudios en sus inicios han sido realizados por el desaparecido

Ministerio de Fomento y Obras públicas en la década de los 60’ y luego

complementados y ampliados a través de investigaciones previas y

Estudios definitivos en la década de los 80’ y en la propia fase de

construcción de la Presa.

Los estudios geológicos y geotécnicos del Ministerio de Fomento y Obras

públicas fueron realizados en varias etapas en la década de los 60’; las que

se basaron exclusivamente en perforaciones diamantinas para la

evaluación de la zona de cierre y la zona de embalse.

En una primera etapa de las investigaciones se verificó la necesidad de

ampliarlas para un mejor conocimiento del área de embalse y cierre; por lo

que posteriormente se realizaron perforaciones diamantinas adicionales

que permitieron también la evaluación de la zona de cierre en el aliviadero

lateral y obras conexas.

Los Estudios antecedentes han permitido el acopio de datos para la

elaboración del Expediente Técnico a nivel constructivo de la Presa Iruro,

el cual fue desarrollada en los primeros años de la década de los 80’ por la

Asociación OIST S.A. (Oficina de Ingeniería y Servicios Técnicos S.A. -

Perú) e INTECSA (Internacional de Ingeniería y Estudios Técnicos S.A. -

España).

Page 11: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

2

Esta Asociación desarrolló también trabajos e investigaciones

complementarias propias para concluir finalmente en un Expediente

Técnico a nivel de construcción. La Presa Iruro empezó a construirse a

mediados de la década de los 80’ y luego fue paralizada en el año 1987.

1.2. OBJETIVO DEL ESTUDIO

1.2.1. OBJETIVO GENERAL

Análisis e interpretación numérica bidimensional del cálculo de infiltración

en la cimentación de la Presa Iruro.

1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Estudio de la Impermeabilización en la zona de cierre de la Presa Iruro.

Revisión de la información geológica en la zona de cierre de la Presa.

Análisis de las investigaciones Geofísicas y Geonósticas realizadas en la

zona de cierre de la Presa

Estudio de las distintas tecnologías de impermeabilización existentes, para

problemas de infiltración por la cimentación de Presas

Comparación y evaluación de resultados numéricos con el software Slide

V.5.0, software aplicado al diseño de presas, para los cálculos hidráulicos

de líneas de flujo por la cimentación de la presa.

Page 12: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

3

1.3. METODOLOGÍA EMPLEADA

La recopilación y el análisis de información serán las armas más valiosas

en el proceso de ejecución de este proyecto, donde se establecen las

siguientes tareas de trabajo:

a) Verificación Insitu de las características topográficas, geológicas,

hidráulicas de la zona de cierre de la Presa.

b) Recopilación de la mayor cantidad de información de los estudios

realizados en las diferentes etapas de estudio y construcción de la

Presa, así también de una bibliografía confiable.

c) Revisión y análisis de la información recopilada, permitirá tomar

alcance y conocimiento de las referencias que sean necesarias y útiles

para el propósito del proyecto.

d) Revisión de los estudios e investigaciones realizadas en campo tales

como:

- Estudios Geofísicos: Refracción Sísmica

- Estudios Geotécnicos: Perforación Diamantina

e) Se hará uso de la ingeniería básica, como la hidráulica, la mecánica de

suelos, y el modelamiento hidráulico, así también de los métodos

numéricos, para la solución numérica del cálculo.

1.4. GENERALIDADES DEL PROYECTO

1.4.1. UBICACIÓN GEOGRÁFICA

La zona del Proyecto Irrigación Acarí – Bella Unión, está ubicada en la

parte sur este del Perú, correspondientes a los distritos de Lucanas, San

Juan, en la provincia de Lucanas, departamento de Ayacucho y Acarí, Bella

Page 13: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

4

Unión, en la Provincia de Caravelí, departamento de Arequipa, zonificados

de la siguiente manera:

Figura Nº1: UBICACIÓN GEOGRÁFICA DEL PROYECTO IRRIGACIÓN ACARÍ – BELLA UNIÓN

1.4.2. HIDROLOGÍA

1.4.2.1. HIDROGRAFÍA

La cuenca del río Iruro constituye una Sub cuenca del Río Acarí, cuyo

aporte principal se da aguas abajo de la confluencia del Río Pallpo, en

la cuenca media del mismo. El área de la sub cuenca del río Iruro-

Chacarangra es de 185.53 Km2, y representa un 17.22% de la cuenca

del Río Iruro cuya área es 1076.9 Km2.

Page 14: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

5

La cuenca del rio Iruro presenta la forma general circular ensanchado

en la parte superior, cuyo patrón de drenaje es de tipo dendrítica, su

ancho varía entre 18 km y 12 km, el área total de drenaje es de 185.53

km2, contando con una longitud máxima de recorrido desde sus

nacientes de 19.1 km. El río Iruro nace en las alturas de la laguna

Huancaccocha, adoptando su primera denominación como Río

Intoncca, luego adopta el nombre de río Iruro para posteriormente tomar

el nombre de río Acarí.

1.4.2.2. OFERTA DE LA CUENCA COLECTORA

La oferta de agua de la cuenca colectora Iruro es de 1.84 m3/s, como

promedio anual, y tiene un caudal específico de 9.92 It/s/km2; dicha

cuenca colectora tiene una capacidad de almacenamiento para una

probabilidad de ser llenado del 75% de 44.12MMC y a una probabilidad

de 95% es de 29.50MMC.

Cuadro Nº1: PARÁMETROS GEOMORFOLÓGICOS CUENCA IRURO

Km2 185.53

Km 67.82

Coeficiente de Compacidad (Gravelius) 1 1.40

Km 19.01

Km 9.76

1 0.51

1 0.51

Lado Mayor Km 27.05

Lado Menor Km 6.86

Orden 1 Km 37.09

Orden 2 Km 27.86

Orden 3 Km 7.00

-  

-

m.s.n.m. 4550

m.s.n.m. 4000

Km 0.55

m.s.n.m. 4275

m.s.n.m. 4266.1

m.s.n.m. 4400

m.s.n.m. 4200-4250

% 2.0

- Perenne

Km/Km2 0.39

m/m 0.0216

m.s.n.m. 4400

m.s.n.m. 3990

Hr. 4.00

- 3º

CUADRO Nº 3

PARAMETROS GEOMORFOLOGICOS

CUENCA IRURO - REPRESA IRURO

PARAMETROS UNIDAD

Radio de Circularidad

Factor de Forma

RECTANGULO EQUIVALENTE

Longitud total de los ríos de

diferentes grados

FA

CT

OR

DE

CU

EN

CA

FA

CT

OR

DE

FO

RM

A

Ancho Medio

PA

RA

ME

TR

OS

DE

RE

LIE

VE

Curva Hipsométrica

Polígono de Frecuencia

Altitud Máxima de la Cuenca

Altitud Mínima de la Cuenca

Desnivel total de la Cuenca

Altitud de Frecuencia Media

Altitud Media de la Cuenca

Altura Máxima del cauce

Altura más frecuente

PA

RA

ME

TR

OS

DE

LA

RE

D

HID

RO

GR

AF

ICA

DE

LA

CU

EN

CA

Tipo de corriente

Grado de ramificacion

Densidad de drenaje

Pendiente media del río principal

Altura Máxima del cauce

Altitud Mínima del cauce

Tiempo de concentracion

CUENCA IRURO

Pendiente de la cuenca (sist. del rectángulo equivalente)

AREA DE LA CUENCA

PERIMETRO

PA

RA

ME

TR

OS

DE

FO

RM

A Longitud ( // al curso más largo)

Page 15: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

6

1.4.3. AGROLOGÍA

1.4.3.1. EXTENSIÓN DEL ÁREA BENEFICIADA

La extensión total del área de atención es de 3 637.99 Km2, las cuales

poseen una superficie agrícola de 18,447.47 ha, de las cuales más de

13,600.00 ha tienen aptitud de riego, de donde se desagrega que en la

Parte Alta (Lucanas y San Juan): 860 ha recuperadas y 3,793.00 ha

sembradas al año y en la Parte Baja (Acarí y Bella Unión): 1,908.00 ha

recuperadas y 9,621.00 ha sembradas al año, haciendo un total de

13,414.00 ha, que se proyecta sean irrigadas con la ejecución del

Proyecto “II Etapa de la Construcción de la Presa Iruro”, la misma que

beneficiara a 2,090 familias.

Cuadro Nº2: ÁREAS AGRÍCOLAS BENEFICIADAS POR EL PROYECTO

En toda la parte alta del área en estudio existen grandes extensiones de

tierras con pastos naturales que sirven de alimento a la ganadería,

como vacunos y ovinos así también para los camélidos domésticos y

silvestres como las alpacas, llamas y vicuña respectivamente, además

existen cultivos anteriores de avena forrajera en las comunidades de

Lucanas.

Page 16: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

7

En la parte intermedio en los márgenes del río San José existen áreas

de cultivo como de papa, olluco mashua, oca, quinua, quiwicha, cebada

trigo, arveja, haba, maíz amiláceo, alfalfa y entre otros cultivos.

En la parte baja del área en estudio, en los márgenes del río Acarí se

encuentran los valles de Caravelí (Acarí y Bella Unión) donde se puede

presenciar diversos cultivos principalmente el maíz amarillo, hortalizas,

ají paprika, frijol canario, algodón, papa, olivo, frutales varios, alfalfa.

No obstante que el área del proyecto posee recursos hídricos

superficiales, las siembras se encuadran básicamente en atención a la

estación lluviosa, a pesar de que parte del área efectúa el riego. Con las

primeras lluvias que pueden presentarse en setiembre u octubre y luego

en noviembre y diciembre, se inician las primeras labores agrícolas de

arado del terreno. Por esta razón las siembras se concentran en un

100% entre los meses de noviembre y diciembre y solo se realiza una

campaña agrícola actualmente.

1.4.3.2. DEMANDA HÍDRICA

La demanda hídrica se obtuvo por cada una de las comisiones

beneficiadas en la Parte Alta y la Parte Baja del proyecto, teniéndose un

total de 92.07 MMC anules.

Cuadro Nº3: DEMANDA HÍDRICA DEL PROYECTO

Page 17: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

8

1.4.4. INGENIERÍA DEL PROYECTO

1.4.4.1. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LA PRESA

Volumen Total = 66.255 MMC

Volumen Útil = 58.631 MMC

Volumen Muerto = 7.624 MMC

Max. Nivel De Explot. (NAMO) = 4,068.00 msnm

Min. Nivel De Explot. (NAMIN) = 4,051.80 msnm

Nivel De Max. Avenida (NAME) = 4,069.69 msnm

Altura Total De Presa = 50 m

Cota De Coronación = 4,076.00 msnm

Ancho De Corona De Presa = 9.0 m

Cota De Vertedero Auxiliar = 4,069.70 msnm

1.4.4.2. CONFORMACIÓN DEL CUERPO DE LA PRESA

Cuadro Nº4: PARÁMETROS GEOTÉCNICOS

ZONA FUNCIÓN DESCRIPCIÓNFUENTE

APROBADA

TAMAÑO

MÁXIMO

ESPESOR

DE CAPA

EQUIPO DE

COMPACTACIÓN

MINIMO MUNERO DE

PASADAS POR CAPA

DENSIDAD

MÍNIMA

VOLUMEN

ESTIMADO

(m3)

1Capa Semi-

Permeable

Enrrocado

ProcesadoCantera Nº2 7.5 cms (3") 40 cms

Vibratorio 10 Tn

Vibratorio 5 Tn

4 sentido Horizontal ,

8 sentido del ta lud

Dens idad

relativa > 80%29,635.28

2 Trans iciónEnrrocado

ProcesadoCantera Nº2

30 cms

(12")40 cms Vibratorio 10 Tn 4

Dens idad

relativa > 80%34,536.54

3Zona Aguas Arriba

Espaldón Res is tenteEnrrocado Cantera Nº2 60 cms 80 cms Vibratorio 10 Tn 4 2 Tn/m3 159,697.22

4Zona Aguas Arriba

Espaldón Res is tenteEnrrocado Cantera Nº2 1.2 m 1.60 m Vibratorio 10 Tn 4 2 Tn/m3 121,779.96

5Zona Aguas Arriba

Espaldón Res is tenteEnrrocado Cantera Nº2

Tamaño

Superior a

30 cms

Variable - - - 15,238.04

Page 18: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

9

Figura Nº2: CONFORMACIÓN DEL CUERPO DE LA PRESA

De acuerdo con los parámetros obtenidos se tiene una altura de carga

de agua máxima de 42 m (NAMO), a partir de la cual desciende en la

etapa de operación (Abril – Diciembre) de la presa, hasta llegar a la

cota de la toma principal, con una carga de agua de 25.8 (NAMIN),

tomadas con referencia al eje de presa.

1.4.5. SITUACIÓN ACTUAL DE LA PRESA

La construcción de la presa Iruro presenta un avance físico global del 55%,

realizado en el periodo comprendido de 1984 a 1987 año en que los

trabajos fueron paralizados, debido a factores relacionados con la parte

social, económica, etc. Realizando una evaluación actual de las estructuras

realizadas hasta el año 1987, se tiene el siguiente diagnóstico:

a) Campamentos: Ejecutado en 100%.

b) Obras de Desvío: Túnel de desvío y Ataguía ejecutados en 100%.

c) Túnel de Descarga: La obra de toma ejecutada en 90%, faltando los

sistemas metálicos de rejilla, ataguías y relleno de las juntas; la cámara

de compuertas en 62% y la estructura terminal en 37%, quedando

Page 19: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

10

pendiente los muros laterales y el solado de protección y el 100% del

cierre del desvío y el tapón de cierre.

d) Galería de Acceso: Ejecutado en 96%.

e) Presa Principal: La losa perimetral de concreto ejecutada en 100% y el

relleno del cuerpo de la Presa presenta un avance de 13%.

f) Dique Lateral: Presenta un avance del 20%.

g) Vertedero Principal: Se ha ejecutado el 70%, quedando pendiente la

construcción de muros y losas y el puente sobre el vertedero.

h) Vertedero Auxiliar: Se ha ejecutado un 90%, quedando pendiente el

dique de concreto.

i) Instrumentación de la Presa: Está pendiente el 100%.

j) Suministro y montaje de Compuertas: Está pendiente el 100%.

k) Tratamiento de Consolidación e Impermeabilización: Presenta un

avance de global de 70%, habiéndose concluido el tratamiento de la

Presa principal, quedando pendientes las inyecciones de consolidación

en el vertedero principal y un tramo de 20 m de longitud del dique

lateral.

Page 20: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

11

CAPÍTULO II – CARACTERÍSTICAS GEOLÓGICAS DE LA ZONA DE

CIERRE DE LA PRESA

2.1. GEOLOGÍA REGIONAL

2.1.1. GEOMORFOLOGÍA

A nivel regional, en la zona de estudio se distinguen las siguientes

unidades geomorfológicas: Estribaciones Andinas, Altiplanicie Andina, Valle

Interandino y Altas Cumbres.

A continuación se describirán brevemente cada una de ellas:

a).- Estribaciones Andinas:

Se extienden desde los 500.00 m.s.n.m. hasta los 2,400.00 m.s.n.m. con

una gradiente promedio entre los 5º y 15º hacia el Oeste.

Se caracteriza por presentar una morfología irregular con sistemas de

drenaje sub. Paralelo a dendrítica, convergente y perpendicular a la línea

de la costa.

Esta unidad geomorfológica ha sufrido por procesos de la última fase de la

Orogénia Andina y la acción erosiva profunda durante el Terciario superior

y Cuaternario por los ríos y quebradas que bajan del macizo andino,

complementada por los factores litológicos, geoestructurales y

climatológicos.

b).- Altiplanicie Andina:

Está comprendida entre las cotas 2,000.00 m.s.n.m. a 4,000.00

m.s.n.m. la que incluye las Estribaciones Andinas y la Altiplanicie Andina,

como Pampa Galeras y zonas adyacentes.

Page 21: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

12

Esta unidad presenta una leve inclinación hacia el Oeste, con un sistema

de drenaje paralelo.

c).- Depresión Interandina:

Sobre esta unidad se desarrollaron los denominados valles interandinos,

que muestran un drenaje con cierto grado de control estructural; se ubica

en las partes altas de las cuencas del río Grande y río Palpa, las que

discurren con dirección de norte a sur y sur oeste. Presentan un sistema de

drenaje dendrítico con modelado del valle en sus bordes o laderas, con un

perfil angosto y profundo, en forma de cañón.

d).- Altas Cumbres:

Se ubican hacia las partes más altas, en donde se observan los

afloramientos de rocas de origen volcánico, con relieves escarpados.

Los rasgos morfológicos de la región ha sido el resultado de las

características litológicas de las unidades geológicas y de los aspectos

estructurales, en donde la actividad volcánica del terciario y los fenómenos

glaciares y fluviales han influenciado notablemente en el modelado actual;

en general la zona la zona se encuentra dominada por un paisaje alto

andino, con un relieve montañoso.

La evolución geomorfológica del área de estudio, está relacionada

preponderantemente con una superficie de ladera bastante amplia y

lomadas, con valles de escorrentía temporal y permanente, sobre las

cuales se notan geoformas menores, donde sobresalen: Lomadas,

Llanuras bajas, Pampas, Valles, Morrenas.

2.1.2. ESTRATIGRAFÍA

De acuerdo a la información geológica a nivel regional existente:

Cuadrángulo Geológico de Santa Ana a escala 1:100,000. INGEMMET,

Page 22: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

13

1993; en el área de interés para el área de embalse, se han reconocido

unidades litoestratigráficas, cuyas edades se encuentran comprendidas en

el Terciario.

Figura Nº3: GEOLOGÍA A NIVEL REGIONAL DEL ÁREA DE ESTUDIO (FUENTE CARTA

GEOLÓGICA HOJA 29-Ñ, INGEMMET)

La Presa Iruro se encuentra emplazada sobre una secuencia de rocas de

origen Terciario y Cuaternario antiguo, constituida por las unidades

geológicas siguientes: Puquio, Tacaza, Sencca y Barroso de naturaleza

volcánica a sub-volcánica que da origen a Brechas (Aglomerados) y

Areniscas en las capas superiores y a Tufos y Tobas en las capas

inferiores.

Los sedimentos de época Cuaternaria reciente corresponden a productos

detríticos formados a expensas del zócalo rocoso Terciario a Cuaternario

Page 23: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

14

antiguo, caracterizados por un transporte escaso y relacionado con

procesos glaciares cuyo impacto en la geomorfología es importante. Las

rocas más antiguas están afectadas por una leve tectónica cuaternaria, que

da lugar a unos suaves pliegues (Sensiblemente con dirección N-S) y a una

fisuración aprovechada por la erosión, que origina unos profundos surcos

en las zonas de la propia boquilla. En esta misma existe un tipo de erosión

columnar muy peculiar.

El área del vaso se encuentra constituida principalmente por materiales

finos (Tufos y Tobas) sub-horizontales y presenta en la zona afectada por

el embalse unas pendientes suaves (20% en promedio) que implican unas

condiciones de estabilidad adecuada.

Cuadro Nº5: SECUENCIA Y RELACIONES ESTRATIGRÁFICAS GENERALIZADAS UNIDAD

LITOESTRATIGRAFICA SIMBOLOGIA DESCRIPCION

Depósitos Aluviales Qr - al Arenas limosas con gravas,

eventualmente con bolonería.

Depósitos Coluviales Qr - c Fragmentos de rocas anulosas a sub angulosas, englobados en una matriz

arenosa con limos.

Depósitos Fluvio glaciares Qr - fl.gl

Arenas limo arcillosas, con gravas y fragmentos rocosos heterogéneos; con presencia de lentes de gravas y arenas

en forma irregular.

Grupo Barroso TQ - ba

Secuencia volcánica de derrames andesíticos; con escasa a nula presencia de brechas y flujos

piroclásticos.

Formación Sencca Ts - s

Secuencia volcánica sedimentaría, conformada por aglomerados y tobas

de color gris claro a blanquecino. Predominan las tobas de grano fino a

grueso, mal clasificadas.

A nivel regional y basado en la información geológica existente, en el área

de estudio se han reconocido unidades litoestratigráficas cuyas edades se

encuentran comprendidas desde el Terciario superior hasta el Cuaternario

reciente.

Las formaciones del Terciario corresponden mayormente a las secuencias

volcánico - clásticas que incluyen a Tobas volcánicas; también existe una

serie de depósitos cuaternarios: Glaciales y fluviales, que se distribuyen a

lo largo de las cuencas.

Page 24: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

15

A continuación, se hace una breve descripción de las unidades

litoestratigráficas; en tal sentido, se ha utilizado la información regional

elaborada por INGEMMET - Instituto Geológico Minero y Metalúrgico,

complementada con las verificaciones de campo.

a).- Formación Sencca (Ts-s):

Las rocas que constituyen esta unidad son fundamentalmente de origen

volcánico piroclástico, constituido por una alternancia de niveles de tufos

más o menos consolidados con oquedades de 1 mm de espesor , muy

porosas y unidades aluviales arenosas seguidas por lavas piroclásticas.

b).- Grupo Barroso (TQ-ba):

El término fue empleado por J. Wilson (1966), para describir una secuencia

volcánica compuesta mayormente de derrames andesíticos expuestos en

la Cordillera del Barroso de la región de Tacna; en el extremo sur oriental

del cuadrángulo de Puquio, conforma relieves comprendidos entre 4,000.00

m.s.n.m. y 4,500.00 m.s.n.m. caracterizados de una morfología prominente

que destaca muy claramente sobre la superficie peniplanizada del área.

En la zona de estudio, está constituido por una sucesión de coladas

andesíticas porfiroides, en matriz afanítica gris a marrón, con escasa

proporción de ferromagnesianos; en dicha litología la presencia de brechas

y flujos piroclásticos es casi ausente.

Estudios geológicos existentes sobre el Grupo Barroso, le han asignado

una edad plio – pleitocénica; en concordancia a las características

litológicas, morfoestructurales y posición estratigráfica.

c).- Depósitos Cuaternarios:

Los depósitos cuaternarios, cubren indistintamente extensas áreas a lo

largo de la depresión interandina y valles, corresponden a depósitos

aluviales, fluviales, coluviales y fluvio glaciares.

Page 25: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

16

c.1).- Depósito Fluvio Glaciar:

Esta unidad geológica se encuentra ocupando algunas depresiones,

cubriendo parcialmente las laderas de los cerros y formando morrenas

laterales y frontales.

Corresponden a las acumulaciones de materiales heterogéneos que varían

entre arenas arcillosas a areno limosas con inclusiones de fragmentos de

volcánicos.

En las depresiones, estos suelos superficialmente muestran alto porcentaje

de suelos orgánicos (Potencias entre 0.30 m a 0.50 m). Se distribuyen en

algunos casos constituyendo geoformas tipo: Morrenas ó bofedales.

c.2).- Depósitos aluviales (Q-al):

Bajo esta denominación genérica se describen los materiales areno

limosos que conforman las terrazas fluviales y las acumulaciones de

gravas, arenas y arcillas que se encuentran en el lecho de los ríos actuales.

c.3).- Depósitos Coluviales (Q-co):

Los depósitos coluviales se localizan a lo largo de las laderas que están

rodeando los valles; están constituidos por los fragmentos heterométricos

desprendidos de los afloramientos rocosos y englobados por una

englobados por una matriz arena arcillosa y/o limosa.

d).- Batólito de la Costa:

Esta unidad geológica corresponde a los afloramientos de las rocas

intrusivas que conforman el Batolito de la Costa.

Está constituida por rocas de origen ígneo de tipo diorita a granodiorita, de

textura granular, color grisáceo, masiva, de resistencia alta a moderada,

con un grado de meteorización moderado en superficie; no está

Page 26: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

17

comprometido con la zona del proyecto, pero puede ser considerado dentro

de la zona proyectada para la prospección de los materiales de préstamo.

2.1.3. GEOLOGÍA ESTRUCTURAL

Regionalmente, la zona de estudio y alrededores están afectadas por el

tectonismo que dio origen a la Cordillera de los Andes Peruanos y por los

eventos tectónicos de compresión del Eoceno superior de la fase Incaica.

Es evidente la existencia de la fase tectónica, originando deformaciones

como pliegues, fallas y diaclasas, afectando las unidades geológica que se

encuentran dentro del marco geológico regional; sobresalen los pliegues

con dirección predominante de NO-SE, que afectan la secuencia

sedimentaria y volcánico sedimentarias, así como las diaclasas en las

rocas intrusivas y volcánicas, que por su posición no son desfavorables

para la presa.

En la zona de estudio no existen evidencias de un tectonismo intenso, por

lo que consideramos de ligero a moderado, donde es evidente la presencia

de fisuras o diaclasas, pero originados por la misma naturaleza de la roca

volcánica. La presencia importante de grietas y fracturas rellenadas con

arcilla y con una apertura máxima de hasta 5.0 mm, no determinan la

presencia de una falla cerca del área de la Presa, por lo que la ubicación

seleccionada es la adecuada por procesos estructurales.

Los movimientos epirogénicos originaron transgresiones, con fallas

longitudinales, pero en la zona de estudio no se observan estas estructuras

importantes que puedan afectar las condiciones de cimentación y

almacenamiento del Represamiento del Río Iruro.

Page 27: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

18

2.1.4. GEODINÁMICA EXTERNA

En la zona de cierre no se han observado procesos geodinámicos de

inestabilidad de talud, como; deslizamientos, derrumbes, caída de bloques,

etc., y otras ocurrencias. Los observados coinciden con derrumbes de

bloques rocosos y/o material sueltos provenientes de los derrames

volcánicos, como consecuencia de los grandes períodos de lluvias, pero

que son de magnitud leve y no son determinantes en los criterios de diseño

de la Presa Iruro.

La actividad geodinámica externa sobre el emplazamiento de la Presa Iruro

se encuentra relacionada básicamente a la presencia de materiales

coluviales y los derrumbes de bloques rocosos de naturaleza volcánica

(Derrames volcánicos tipo aglomerados) por acción de la gravedad y en

épocas de lluvias intensas. La acción erosiva del río Iruro sobre el fondo y

laderas del cauce no son importantes debido a la presencia de rocas

volcánicas del tipo andesitas, que en la práctica constituyen un lecho rígido

y no son erosionables. Los procesos erosivos en la superficie de la cuenca

no son intensos por lo que la producción de sedimentos es más bien baja y

determinan un escaso aporte al volumen muerto de la Presa Iruro.

2.1.5. SISMICIDAD

A nivel regional se cuenta con información que en áreas cercanas a la zona

en estudio se han producido sismos que han influido en el distrito de

Lucanas con intensidades promedio de VI a VIII, según la escala de

Mercalli modificada, que indican que el área de estudio se encuentra en

una zona de Sismicidad Alta.

Acorde al Mapa de zonificación sísmica del Perú y al Mapa de máximas

intensidades sísmicas de Perú, se desprende que el área en estudio se

encuentra en la Zona III correspondiente a una zona de sismicidad Alta y

con probabilidad de ocurrencia de sismos en la Escala de Mercalli

Page 28: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

19

modificada de VI a VIII grados de intensidad. Asimismo se presenta el

Mapa de isoaceleraciones del territorio peruano para un Periodo de

Retorno de 475 años, en donde se obtiene para el área de estudio una

aceleración horizontal máxima de 0.38g.

2.2. GEOLOGÍA GENERAL DEL ÁREA DE INTERÉS

2.2.1. GEOMORFOLOGÍA

Los procesos geomorfológicos de erosión y acumulación tienen gran

significado en la formación de la depresión erosional de Iruro y por

consecuencia del Vaso y Boquilla.

La acción erosiva de las aguas en forma de corrientes como los del río

Iruro, filtraciones, lluvias y nevadas han constituido en la degradación de

los sedimentos que forman actualmente el vaso.

El transporte de los sedimentos se hacía inicialmente por toda la parte sur

del Vaso o sea sobrepasando los aglomerados del Cañón, de los cuales

quedan rezagos en los límites del Vaso y la cuenca vecina de Pucasalla.

Seguidamente al continuar la erosión se encuentran los aglomerados del

Cañón que por tener gran resistencia a la erosión, la acción del río Iruro se

concentró básicamente en lo que actualmente constituye el Cañón,

siguiendo una diaclasa o simplemente la topografía más baja existente.

Al continuar la erosión eran arrastrados los sedimentos del Vaso y

formándose la depresión con una velocidad mayor que la que se formaba

el Cañón por ser los aglomerados mucho más resistentes, lo que ha dejado

la forma del Vaso en las actuales condiciones.

El proceso geomorfológico de acumulación se manifiesta en la formación

de depósitos de sedimentación lacustre de limos arenosos y pocas arcillas

que se acumulan en las partes bajas del Vaso, la potencia de estos

Page 29: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

20

sedimentos varía desde unos 300.0 m en la parte central del Vaso hasta

ser de poco espesor en los alrededores.

En las partes altas de la depresión de Iruro o sea en la cuenca de

acumulación de sedimentos se manifiesta en depósitos de arenas gruesas

en pequeñas depresiones y de poca profundidad.

2.2.2. ESTRATIGRAFÍA

El área de emplazamiento de la Presa Iruro engloba a un conjunto de rocas

sedimentario-volcánicas, tales como aglomerados, areniscas, tufos,

derrames lávicos y localmente un intrusivo de tipo hipoabisal.

La distribución en superficie de este conjunto sedimentario-volcánico se les

puede agrupar en tres formaciones de acuerdo al relieve y litología la que

se describe a continuación: (PLANO Nº1 – PGL – 01 – Anexos)

Formación A:

Se extiende desde la parte final del cañón del río Iruro hacia aguas abajo,

formando la cuenca vecina, está constituida por una estratificación de tufos

volcánicos tipo riolitas bastante duros, color gris claro a blanquecino, como

puede observarse en el flanco derecho de la quebrada.

En la parte superior de dicho flanco cerca de Azuljaja presenta algunos

derrames de rocas basálticas de coloración gris oscura y de buena

densidad. Esta formación es continua por varios kilómetros hacia aguas

abajo.

Formación B:

Se trata de un afloramiento de aglomerados intercalados con areniscas en

estratos potentes. Este afloramiento tiene una forma rectangular con una

Page 30: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

21

longitud mayor transversal a la dirección del río que sobrepasa los 7.0 Km y

un ancho aproximado de 1.0 Km en la dirección del río.

La mejor exposición se encuentra en la parte final del flanco izquierdo del

cañón.

Formación C:

Está directamente relacionado con el Vaso o Área de embalse del río Iruro

y constituye la gran estratificación de tufos, areniscas tufáceas,

conglomerados y derrames lávicos que limitan la depresión erosional de

Iruro donde se emplaza el vaso, son de coloración gris blanquecina de baja

densidad y blandos a excepción de los derrames lávicos que están en la

parte superior a manera de mantos que son densos y compactos.

A continuación, se hace una descripción más detallada de la litología de la

zona de interés:

1).- Los aglomerados se encuentran en la zona sur del Vaso y su mejor

exposición está en la parte final del cañón del río Iruro donde se les

observa que no es un afloramiento masivo sino que se presenta en estratos

potentes intercalados con bancos de areniscas.

El estrato superior de los aglomerados es el mejor expuesto, se observa en

una extensión de 3.0 Km transversalmente al río Iruro y 800.0 m

longitudinales al mismo; estando el cañón de Iruro excavado íntegramente

en este estrato del cual forma actualmente los flancos y cauce del cañón

hasta los primeros 600.0 m.

Existen además dos estratos de aglomerados intercalados con otros tantos

de areniscas y que se encuentran bien expuestas en la parte final del

flanco izquierdo del cañón. Esta estratificación tiene un buzamiento de 10°

hacía el SE o se inclinados hacia aguas arriba.

Litológicamente los estratos de aglomerados tienen características

similares y están constituidos por fragmentos angulosos (de poco

Page 31: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

22

transporte) de rocas volcánicas oscuras con diámetros variados de hasta

1.50 m sin orientación preferencial, envueltos en una matriz de textura

granular fina de material tufáceo color gris, la cementación es fuerte y la

proporción de material grueso con relación al fino (matriz) varía de unos

estratos a otros. Así tenemos que en los estratos inferiores, el material

grueso o sea los fragmentos angulosos están en una proporción

aproximada del 70% y la matriz de 30% y en estos estratos existen los

fragmentos más grandes de hasta 1.50 m de diámetro en cambio en el

estrato superior que es el que forma el cañón de Iruro, la proporción de

fragmentos es de un 40% y matriz de 50%. Los fragmentos tienen

diámetros más uniformes que varían hasta un máximo de 40.0 cm y el

conjunto presenta buena compactación.

Existe otro afloramiento de aglomerados en el Vaso a unos 2.0 Km al NE

del cañón con las mismas características que el aglomerado descrito en el

cañón, pudiéndosele correlacionar con el estrato superior por dos

observaciones:

a).- La proporción y el tamaño de los fragmentos gruesos con relación a

los finos; y

b).- Porque sobre ambos aglomerados se encuentra el mismo tipo de rocas

estratificadas que forma el Vaso.

Las areniscas, se han observado tanto en el Vaso como en la parte final

del Cañón de Iruro, aunque ambos con características diferentes.

2).- Las areniscas en el cañón se presentan en bancos interestratificados

con los aglomerados, tienen un color gris verdoso, buena compactación de

grano medio a fino, bastante limpias, presentan un fracturamiento

superficial a manera de un cuadrilátero.

Las areniscas observadas en el Vaso se encuentran en intercalaciones con

sedimentos tufáceos de coloración blanquecina, grano grueso a medio de

composición tufácea, se presentan en estratos delgados.

Page 32: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

23

3).- Los tufos están ampliamente distribuidos en el Vaso,

estratigráficamente ocupan una posición intermedia entre los aglomerados

y areniscas estratificadas que forman el cañón y las lavas volcánicas que

están superyacientes a los tufos a manera de costra.

Esta formación tufácea está constituida por una alternancia en perfecta

estratificación delgada, de tufos, areniscas tufáceas y en menor proporción

lutitas y conglomerados, este conjunto tiene una coloración blanquecina y

el conjunto estratigráfico tiene un buzamiento de 5 ° NE, la dureza de los

estratos varía de acuerdo a su composición, siendo las areniscas tufáceas

y tufos volcánicos los de mayor compactación.

En la base de la estratificación se observan más conspicuamente los tufos

y areniscas tufáceas y en menor proporción lutitas en las partes altas de la

depresión predominan las cenizas volcánicas.

Se ha medido una sección estratigráfica en la zona de boquilla o cierre y

vaso o embalse donde se describe con más detalle las características de la

secuencia.

4).- Las lavas volcánicas o llamados también derrames lávicos se

encuentran en las partes altas del vaso y de la cuenca prácticamente,

cubriendo la formación tufácea a manera de un manto lávico, con una

inclinación suave hacía el Sur. La potencia observable en las partes altas

del Vaso donde ha sido cortado en taludes verticales por efecto de la

erosión varía entre 20.0 m en la zona NW del Vaso y 50.0 m en la zona NE

y E del Vaso.

En esta zona se ha modelado quebradas de poca profundidad y de gran

sección a manera de ondulaciones que marcan el nacimiento de los ríos

que van hacía Nazca y Acarí.

Además depresiones que han formado lagunas, muchas de las cuales

permanecen con agua durante todo el año como la Laguna Tacracocha

que se encuentra en la zona Norte del Vaso.

Page 33: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

24

Estos derrames lávicos se presentan bastante compactos y duros, de

textura fina, color gris oscuro a gris claros, variando entre andesitas y

basaltos. Se ha podido observar que en la zona N a NW del Vaso, la roca

es más clara y el sistema de fracturamiento en los taludes observados

determinan bloques cuadriláteros, un cambio en la zona NE y E del vaso, la

roca es más oscura y el fracturamiento es de preferencia columnar y los

bloques desprendidos son alargados.

5).- La roca intrusiva de tipo hipoabisal se manifiesta solo localmente en la

zona E y parte alta del vaso a unos 3.50 Km del cañón de Iruro, existe un

afloramiento de forma alargada con unos 500.0 m. de largo por 100.0 m de

ancho y una sección de forma cónica. Las características de este

afloramiento indican que se trata de un episodio magmático de carácter

hipoabisal, limitado a las dimensiones consideradas, ya que se diferencian

de las rocas que forman el manto lávico que abarca toda la zona, tanto por

su textura como por su estructura.

Este afloramiento está constituido por rocas de carácter andesítico de

textura porfirítica, se presenta bastante fracturado en bloques cuadriláteros

de diferentes dimensiones con gran desordenamiento, limitando un valle

colgado de 400.0 m de largo por 150.0 m de ancho con los derrames

lávicos que predominan en la zona, en cuyo fondo limitan una laguna

alargada de la que se produce una descarga aproximada de 30 l/s, hacía el

Vaso de Iruro.

Para una mejor descripción de las formaciones geológicas encontradas, se

ha medido una sección geológica en la Zona E del Vaso con una dirección

aproximada de N 40°.

Esta sección empieza en el cauce del río Iruro, al final del cañón, pasa por

el flanco izquierdo donde mejor expuesta se encuentran las

estratificaciones, luego por el Vaso donde existen dos afloramientos

característicos y termina en la parte alta en derrames lávicos:

Page 34: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

25

a).- Corresponde a la base de la estratificación, se presenta en forma

masiva, y se continúa en profundidad en el cauce del río Iruro, es una roca

tipo volcánica andesítica en proceso de metamorfismo por silificación,

presenta venillas de sílice amorfo (cuarzo, calcedonia) bien compacta y

muy dura, color gris rojizo.

b).- Banco de areniscas de grano grueso a medio, bien compactas color

gris verdoso, con estratificación cruzada, contiene pequeños lentes de

areniscas tufáceas, presenta fracturamiento superficial a manera de

cuadrillado, en su constitución predominan los fragmentos líticos oscuros.

c).- Estrato de aglomerados volcánicos constituido por fragmentos

angulosos de volcánicos oscuros andesíticos y basálticos, de tamaño

variado hasta de 1.50 m de diámetro, envueltos sin orientación preferencial

en una matriz arenosa de constitución tufácea. La proporción de

fragmentos a matriz es de 70% del total de la masa aglomerádica.

d).- Banco de areniscas con características similares a la letra “b”.

e).- Banco de aglomerados de iguales características a “c”.

f).- Paquete de areniscas, líticos con abundantes fragmentos de rocas

volcánicas y material tufáceo con regular compactación. Buzamiento del

estrato N 10° SE (Hacía aguas arriba).

g).- Potente banco de aglomerados constituido por fragmentos angulosos

volcánicos oscuros envueltos sin orientación preferencial en una matriz

arenosa un tanto terrosa de constitución tufácea. La proporción de gruesos

es de 40% y de matriz 60%. El conjunto presenta buena compactación.

Los fragmentos angulosos en este estrato a diferencia de “c” y “e” tienen un

diámetro más uniforme variando entre 10.0 cm a 20.0 cm.

h).- Andesita cubriendo en forma discontinua por erosión a los aglomerados

y que yacen en forma esporádica en diferentes puntos del Vaso, roca

bastante dura.

Page 35: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

26

Hasta aquí, la Sección corresponde al flanco izquierdo del Cañón. La

sección continúa por la parte baja del Vaso.

i).- Areniscas de grano medio con buena compactación color gris claras

intercaladas con pequeños lentes de lutitas con oxidación. La potencia no

ha sido observada porque se continúa en profundidad. Estas forman

prácticamente el piso del vaso.

j).- Estratificación delgada entre 10.0 cm y 5.0 cm intercaladas de

sedimentos finos tipo lutitas bastante fracturadas con areniscas de grano

fino de constitución tufácea, con fragmentos líticos subredondeados de

volcánicos oscuros. Este paquete estratificado tiene un rumbo N 33° y

buzamiento 12° NE.

k).- Areniscas líticas depositadas en ambiente arenoso formadas por

fragmentos de rocas volcánicas, andesíticas, tamaño de arena gruesa

envueltos en matriz tufácea bastante porosa y de baja densidad, contiene

pequeñas intercalaciones de lutitas fracturadas.

l).- Lutitas en estratificación fina con fracturas perpendiculares a los

estratos, contienen material tufáceo.

ll).- Areniscas con escasa compactación color gris, grano medio a fino con

estratificación laminar con raras intercalaciones de láminas de material fino

tufáceo de constitución tufácea bastante fisibles. Presentan abundante

estratificación cruzada y perturbaciones debido a fragmentos de roca

englobados.

m).- Lutitas con pequeñas intercalaciones de arenas finas. Hacía la base

del estrato medio predominan las lutitas color marrones, muy fisibles en el

sentido de la estratificación, hacía la parte superior son más abundantes

las arenas finas. Presenta un fracturamiento perpendicular a la

estratificación con distanciamiento de 10.0 cm a 20.0 cm.

Page 36: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

27

n).- Estrato de conglomerados, regularmente compactados, constituido por

fragmentos redondos a subredondeados de volcánicos andesíticos y

basálticos, de tamaño máximo de 2.0 cm envueltos en una matriz arenosa

de grano grueso, conteniendo material tufáceo color blanquecino.

ñ).- Estrato de tufos volcánicos color blanco, bastante duros en superficie

pero blando a los pocos centímetros de excavarlos hasta volverse polvo en

los dedos, contiene nódulos de tufos más compactos, se produce el

intemperismo en forma de conos.

En este estrato se midió un buzamiento de 6° SE que corresponde a la

estratificación general del vaso.

o).- Conglomerado parecido al descrito en la letra “n”.

p).- Lutitas como las de la letra “m”.

q).- Estrato formado por intercalaciones de areniscas y lutitas en estratos

delgados. Las areniscas de grano fino, cuarzosas, regular compactación,

color gris claras. Las lutitas se presentan bastante fracturadas, tienen algo

de material de tufos volcánicos.

r).- Areniscas tufáceas de grano grueso flojamente compactadas, color

blanco amarillento, en la parte superior del estrato la arenisca es de grano

fino intercalada con abundante material tipo limoso de constitución tufácea.

s).- Areniscas de grano fino intercaladas con lutitas en estratificación

delgada, con abundante material tufáceo, presentan raros fragmentos de

rocas volcánicas oscuras hasta de 1.0 cm de diámetro.

t).- Potente banco de cenizas volcánicas color gris plomiza, masiva, sin

estratificación poco densa, porosa, contiene abundante nódulos de ceniza

más resistentes a la erosión, de color negruzca.

Page 37: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

28

u).- Tufos volcánicos blanquecinos finos al tacto poco densa, presentan

delgados lentes de conglomerados, conteniendo fragmentos de 2.0 cm con

arenas gruesas.

v).- Tufos redepositados (Hidrocinerita) conteniendo elementos líticos

angulosos de rocas oscuras volcánicas con matriz tufácea, contienen en la

base del estrato mayor proporción de arena. Regular compactación.

w).- Tufos volcánicos color rosado, característico, bastante friables poco

densas y sin compactación, porosas, contiene esporádicos fragmentos de

rocas oscuras angulosas.

x).- Arenas tufáceas, bastante sueltas de grano fino, porosas y poco

densas, color blanco.

y).- Derrame lávicos andesíticos que se encuentran cubriendo toda la

cuenca y cortadas en talud vertical alrededor del vaso.

2.2.3. GEOLOGÍA ESTRUCTURAL

En el área de interés para la Presa Iruro se puede reconocer dos aspectos

estructurales importantes:

a).- La Secuencia estratigráfica

En la zona de estudio se distinguen dos secuencias estratigráficas bien

definidas: La secuencia estratigráfica en bancos potentes alternados de

areniscas y aglomerados que forman el cañón y la secuencia estratigráfica

delgada de tufos, areniscas, conglomerados que forman el vaso

propiamente dicho.

En el Vaso, la interestratificación es más o menos uniforme y el conjunto

estratigráfico tiene un buzamiento general hacía el Sur-Este (Inclinación

Page 38: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

29

hacía aguas arriba). Este buzamiento varía entre un límite extremo de 12° a

8°.

En el cañón de Iruro, la secuencia de aglomerados y areniscas también

sigue con un buzamiento concordante con las estratificaciones en el Vaso.

De acuerdo a esta disposición estructural (estratos inclinados de 10° hacía

aguas arriba) en el Cañón, los 600.0 primeros metros aproximadamente

están excavados en el estrato superior y potente de aglomerados y los

250.0 m restantes en la estratificación subyacentes de areniscas y

aglomerados (bajando longitudinalmente por el cauce del cañón, se baja

también en la estratificación de estratos más recientes a más antiguos).

En el lado oeste de la depresión topográfica de Iruro, a unos 5.0 Km del

Cañón (zona no afectada por el embalse) en el flanco derecho de la

quebrada Jailana existe una pequeña disturbación de los sedimentos

tufáceos, en forma de monoclinal, que buza 10° hacía el NW, formando así

el flanco derecho de dicha quebrada. Este monoclinal se prolonga hacía la

cuenca vecina de Azuljaja. En la quebrada Jailana, este monoclinal

presenta discordancia estratigráfica, con relación a los estratos del flanco

derecho que tienen un buzamiento de 8° hacía el Nor-Este.

b).- El Sistema de fallas

Existen evidencias de campo que la zona ha sido afectada por fallas, éstas

pueden ser clasificadas en dos tipos: Fallas de carácter regional y fallas de

carácter local que pueden llamarse también como fallas inferidas y fallas

observadas.

Las fallas regionales o inferidas trazadas en el Mapa Geológico, (PLANO

Nº2 – PG – 03 – Anexos); han sido ubicadas en el campo principalmente

por evidencias fisiográficas como escarpas que siguen un determinado

alineamiento por varios kilómetros. Aunque no se han observado pruebas

directas del fallamiento regional a lo largo de estas escarpas, es posible

que dichos rasgos estén modificados por efectos de la erosión. Una falla de

Page 39: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

30

carácter regional que pasa siguiendo un alineamiento de escarpas en la

zona N de la cuenca vecina de Pucasalla y pasa con una dirección de SE a

NW por aguas abajo del cañón de Iruro y se prolonga por la cuenca

Azuljaja.

La existencia de esta falla de carácter regional, pone de manifiesto cambios

topográficos y geológicos en la zona. En la región N del fallamiento, la

topografía es suave y predominan rocas de constitución tufácea, blandas y

poco densas y derrames lávicos en la parte superior pero en la zona sur

existen rocas volcánicas del tipo riolíticas, que son bastante duras y los

afloramientos están a cota inferior a las anteriores.

El fallamiento menor en la zona se hace evidente en el campo,

seguramente como consecuencia de reajustes a fallas precedentes.

En la quebrada Turnopampa ubicada en la cuenca vecina a unos 3.0 Km

hacia el W del cañón (aguas abajo) existen fallas secundarias con

dirección SE a NW con un desplazamiento de aproximadamente 4.0 m. en

un paquete estratificado de tufos riolíticas que presentan un buzamiento de

37° al SW con un rumbo de W 317°. Prolongando esta falla en su dirección

hacía la parte final del Cañón se observa aquí que los tufos riolíticos

bastante duros y en estratificación delgada han sufrido un gran

distorsionamiento.

Teniendo en cuenta la geología y la estructura observada, podemos dar un

esbozo sobre el origen del vaso y la boquilla de Iruro.

Inicialmente los tufos blancos friables y derrames lávicos que forman el

Vaso cubrían ampliamente la zona; posteriormente se produjo un

fallamiento regional seguido de un ciclo erosivo que hizo desaparecer los

tufos en la zona sur, poniendo al descubierto los tufos riolíticos bastante

duros diferentes a los del vaso y también los aglomerados del cañón.

Posteriormente, la erosión continuó hasta su nivel máximo antes de formar

el Cañón de Iruro, existiendo todavía tufos blandos en la cuenca antigua

Page 40: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

31

aguas abajo del Cañón. En estas condiciones la erosión y transporte de los

tufos producía por encima de los aglomerados del cañón como se ve

remanentes en las partes altas hacía la cuenca de Pucasalla.

Continuando la erosión, se empieza a formar el cañón de Iruro y

formándose progresivamente el vaso por acción fluvial, siguiendo

posiblemente una fractura.

Pero debido a que la resistencia a la erosión de las rocas del cañón y del

Vaso son bastante diferentes, el agua erosionada el cañón lentamente pero

se iba formando el Vaso con mayor velocidad por la misma consistencia de

las rocas friables ayudada por las filtraciones superiores que ayudaban a

erosionar los flancos del vaso hasta presentar las características actuales.

2.3. GEOLOGÍA LOCAL DEL CAÑÓN IRURO

2.3.1. GEOMORFOLOGÍA

Tiene una longitud aproximada de 850.0 m con una dirección general de N

30°, produciéndose pequeños cambios de dirección que forman recodos

del río.

El cañón es angosto y presenta simetría topográfica y geológica en ambos

flancos, habiendo sido excavado en una misma unidad geológica. Esto

tiene una importancia desde el punto de vista estructural que nos permite

negar la existencia de una falla longitudinal que haya originado el cañón

confirmando así el origen fluvial.

En los primeros 230.0 m el cauce tiene un ancho de 10.0 m y las paredes

se levantan casi verticales hasta los primeros 30.0 m de altura, luego se

abren en pendientes más suaves. Desde los 230.0 m (Zona del eje) hacia

aguas abajo, el cauce es más angosto y las pendientes iniciales casi

verticales tienen una altura de hasta 40.0 m y luego se ensanchan en

Page 41: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

32

pendientes más suaves hasta tener una altura total de aproximadamente

60.0 m y un ancho en las cumbres de 80.0 m.

El cañón con paredes verticales y angosto continua hacía aguas abajo con

una longitud total de 850.0 m donde termina bruscamente y sus flancos

adquieren su máxima altura y se amplían en ambos lados formando la

cuenca vecina.

La morfología del cañón corresponde únicamente a un origen de carácter

fluvial. La acción erosiva de las aguas corrientes del río Iruro que han

profundizado y secundariamente la acción de las aguas meteóricas que

actuaban en los flancos contribuyendo a su ensanchamiento cuya acción

ha sido más bien limitada.

2.3.2. ESTRATIGRAFÍA

El cañón del río Iruro está excavado en un paquete de rocas estratigráficas

que difieren en todas sus propiedades de las que forman el vaso y las

cuencas vecinas.

Se trata de una alternancia de estratos potentes de areniscas y

aglomerados cuya mejor exposición se observa en el tramo final del flanco

izquierdo. El afloramiento de estas rocas tiene una forma rectangular, la

mayor longitud perpendicular a la dirección del Cañón tiene

aproximadamente 3.5 Km y un ancho mayor expuesto de 900.0 m medidos

en el mismo cañón.

La Secuencia estratigráfica es la siguiente:

a).- En la base de la secuencia se encuentra una roca volcánica color

oscuro, silicificada en proceso de metamorfismo y muy cerca con una

potencia desconocida que profundiza en el río.

b).- Estrato de areniscas, con potencia aproximada de 15.0 m.

Page 42: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

33

c).- Estrato de aglomerados de 20.0 m de potencia.

d).-Estrato de areniscas parecidas a la anterior, con potencia aproximada

de 35.0 m.

e).- Estratos de aglomerados igual al anterior, potencia aproximada de 20.0

m.

f).- Estrato de unos 6.0 m de potencia de areniscas en la base y areniscas

líticas tufáceas en la parte superior.

g).- Estrato final de unos 50.0 m de potencia de aglomerados.

Estructuralmente este conjunto estratigráfico, tiene una inclinación o

buzamiento aproximado de 10° a 13° hacía el NE o sea, inclinados hacia

aguas arriba del cañón. Por esta disposición estructural cuando se camina

por el cauce del cañón desde el inicio hacia aguas abajo se baja

estratigráficamente.

Los 600 primeros metros del cañón están excavados en el estrato superior

de aglomerados y luego en los estratos inferiores.

Los aglomerados que forma el cañón están formados por dos

constituyentes principales: fragmentos de rocas y matriz. Los fragmentos

son de constitución andesítica en su mayoría angulosos de tamaños que

varían hasta de 30.0 cm, están desordenadamente dispuestos en una

matriz de constitución tufácea gris oscura a un tanto verdosa en muestra

fresca con una granulometría que varía desde fina (Terrosa) hasta tramos

de arena fina a media. El conjunto presenta buena compactación la

proporción de fragmentos es aproximadamente de 40% a 60% de matriz.

La sección de cierre está ubicada a 230.0 m de iniciado el Cañón. Aquí la

cota del cauce marca 4,015 m.s.n.m., el estribo izquierdo marca una altura

de 4.065.00 m.s.n.m. y el derecho 4,075.00 m.s.n.m.

Page 43: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

34

Los estribos del Cañón presentan en general una simetría topográfica y

geológica, tanto en sección transversal como en longitudinal.

Se observa en amos estribos que la masa aglomerádica ha sido afectada

por erosión principalmente de aguas meteóricas. A menudo en ambos

flancos se notan columnas de disolución que se profundizan lateralmente

unas más que otras, muchas de estas separan bloques que luego se

desprenden.

El fracturamiento por medio de diaclasas es de poca importancia. Se ha

encontrado no más de tres fracturas en el estribo derecho con una

inclinación de 20° hacía aguas arriba en el talud vertical a unos 20.0 m

aguas abajo del Vertedero, pero en el flanco izquierdo no se les ha

observado por la cobertura que tienen los aglomerados.

En ambos estribos, la cobertura en los aglomerados es muy escasa,

encontrándose solamente pequeños detritos de rocas andesíticas en las

apartes superiores de ambos flancos, en algunos puntos del cañón donde

se han producido desprendimientos de bloques existen superficies

pequeñas cubiertas por vegetación de pajas.

2.3.3. EL CAUCE DEL CAÑÓN

Este se va angostando desde aguas arriba hacía aguas abajo. En los

primeros 200.0 m tiene un ancho que varía desde 15.0 m hasta 5.0 m, en

este primer tramo está ubicada la Estación de aforo tipo vertedero. A partir

de los 200.0 m aproximadamente existe un pequeño bulto del río de 1.50 m

de desnivel, desde aquí para adelante el cauce se estrecha y se hace difícil

el acceso. La pendiente del río es más o menos uniforme del orden de 0.02

antes y después del salto mencionado.

En el primer tramo del cauce o sea aproximadamente hasta los 200.00 m

muy cerca del eje propuesto, el cauce tiene escasos bolones de rocas

Page 44: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

35

siendo el mayor de 1.00 m de diámetro y estas zonas son removidas

constantemente con las avenidas y se observa que el piso del cauce es

bastante plano formado por rocas aglomerádicas, aquí es importante ver

pequeñas cavernas de disolución de poca profundidad posiblemente por

acción química de las aguas del río. Desde la zona del eje hacía aguas

abajo, el cauce contiene grandes bloques de rocas volcánicas

transportados por el río y aglomerádicas desprendidos de los flancos que

forman muchos veces puntos naturales por lo estrecho del cañón.

En las perforaciones realizadas, se ha podido ver que la roca presentaba

buena compactación y la recuperación de muestras era de 100% y en 20.0

m de perforación se encontraron escasas fracturas.

De todo lo descrito, se desprende que las rocas aglomerádicas que forman

el cañón, son rocas competentes desde el punto de vista mecánico y la

gran masa en la que se presenta, ofrece buenas condiciones para el apoyo

de la Presa. La acción química de las aguas más bien tienen importancia

en los aglomerados ya que han producido disoluciones tanto en el flanco

como en el cauce, aunque parece que esta acción actúan lentamente o los

aglomerados ofrecen también resistencia por el hecho de que a través del

tiempo permanecen los taludes verticales, de lo contrario tal vez estos

hubieran adquirido relieves suaves abiertos y el cañón habría ido muy

amplio.

2.4. GEOLOGÍA LOCAL DE LA ZONA DE CIERRE DE LA PRESA IRURO

La boquilla se encuentra en la parte sur del Vaso Iruro. Formando un cañón

angosto en forma de V con un ancho de más o menos de 10.0 m en el

cauce y 150.0 m en la parte superior, en una longitud aproximada de 100.0

m Los taludes presentan en los primeros 30.0 m fuerte pendiente llegando

a más o menos 25°; abriéndose luego en pendientes más suaves con

ángulos de 60° hasta una altura de 50.0 m. Geológicamente la boquilla está

Page 45: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

36

constituida de rocas aglomerádicas, cuya erosión superficial es de forma

columnar, pero de poca potencia, presentándose en profundidad muy

compacta, sana e impermeable.

La zona de cierre de la Presa Iruro se ubica en el sector Norte de la

quebrada del mismo nombre, que se muestra angosta con una sección

transversal en forma de “V” asimétrica, y a continuación presenta estribos

escarpados casi con inclinación vertical.

El cañón de la Presa Iruro está labrado sobre un Aglomerado (Brecha)

masivo, de leve estratificación, de rumbo N-S 30° W y buzamiento 15 - 25°

a N-E, surcado por fisuras N 40º E, N 70º E subverticales.

Las zonas media y baja de este cañón, se presentan más alteradas,

cruzadas por fracturas o fallas de cierta significación. Debido a ello, se

aconseja ubicar la presa a la entrada del cañón, coincidiendo por tanto esta

ubicación con la elegida en estudios anteriores.

El marco geológico local está conformado por la unidad geológica de la

Formación Sencca (Predominan los aglomerados volcánicos; en menor

escala las Tufos volcánicos que se encuentran en secuencias alternadas:

Aglomerados-Tufos Volcánicos, que se observan en ambos estribos de la

zona de Presa y por los depósitos fluvio aluviales (Arenas limosas con

gravas) que ocupan el fondo del cauce de la quebrada.

En la zona de cierre, en ambos estribos predominan los afloramientos de

los derrames volcánicos de tipo aglomerado (Formación Sencca), mientras

que en el cauce se presentan una escasa cobertura fluvial.

2.4.1. GEOMORFOLOGÍA

En el sector de cierre, la quebrada Iruro, es muy angosta y presenta una

sección transversal en forma de “V” simétrica con flancos de pendientes

promedios entre 60º a 70º, con el estribo izquierdo ligeramente menos

Page 46: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

37

empinado. Aguas abajo de la Zona de Presa, la quebrada se mantiene

encañonada en forma de “V”, se muestra con flancos escarpados y se

incrementa la gradiente del perfil longitudinal del río.

En la Zona de Presa, al nivel del cauce principal, el ancho promedio es

inferior a 15.00 m (Cota del cauce = 4,026.000 m.s.n.m.) y al nivel de

coronación (4,076.000 m.s.n.m.) la Presa tendrá una longitud máxima de

500 m aproximadamente para una altura de 50.0 m.

Las condiciones topográficas implican en la margen izquierda, la

realización de un muro o presa lateral de poca altura.

El eje de Presa está ubicado a 360.0 m aguas abajo de iniciado el cañón,

justamente donde se angosta más el cauce del río que aquí tiene un ancho

de 6.0 m y una cota de 4.026.00 m.s.n.m. Los taludes son casi verticales

hasta una altura de 30.0 m y un ancho superior de 60.0 m, luego los

taludes se ensanchan con taludes más suaves hasta la coronación con un

ancho total de 150.0 m.

En la primera parte del talud o sea hasta los 30.0 m de altura está expuesta

la roca aglomerádica, en el estribo derecho se presenta masiva, de buena

compactación y muy dura, presenta algunas columnas de disolución por

aguas meteóricas, de estas existe una de importancia que está muy cerca

del eje y que ha seccionado a los aglomerados hasta más o menos 1.0 m

de profundidad lateral.

En el estribo izquierdo es más bien característica, superficies que muestran

el desgarramiento de grandes bloques.

En la porción superior de ambos estribos, el talud es más suave, estando la

roca aglomerádica cubierta con detritos de volcánicos andesíticos que

forman escasa potencia dando a entrever en varios puntos a los

aglomerados.

Page 47: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

38

El eje descrito reúne las mejores condiciones topográficas porque se

encuentra en una porción del cañón donde los taludes presentan su

máxima altura aprovechable con relación a la pendiente del río, y la

dirección del cañón es bien definida sin formar recodos. Dicha ubicación

permite también que el aliviadero sea por canal superficial aprovechando

una pequeña depresión en el flanco izquierdo que estaría al final del talud

aguas debajo de la cortina.

El cañón ofrece condiciones geológicas muy similares por lo menos en sus

600.0 m iniciales para el apoyo de una Presa, por la simetría de las rocas

que conforman ambos flancos.

2.4.2. ESTRATIGRAFÍA

La secuencia lito estratigráfica en la zona de estudio, está determinada por

el desarrollo de rocas volcánicas y las acumulaciones cuaternarias; a

continuación se describirán brevemente cada una de las unidades:

a).- Formación Sencca:

En la Zona de Presa predominan los derrames volcánicos andesíticos del

tipo aglomerado, de color gris a gris verdoso (Estado sano) que se

encuentran alternados con niveles de Tufos y Areniscas Tufáceas más o

menos consolidadas y que presentan oquedades.

La secuencia en que se presentan estas rocas es la siguiente: Aglomerado

volcánico-Tufos y/o Areniscas Tufáceas; las cuales adoptan tonalidades

pardas amarillentas al estado alterado.

El cañón de la Presa Iruro está labrado sobre un Aglomerado (Brecha)

masivo, de leve estratificación, de rumbo N-S 30° W y buzamiento 15 - 25°

a N-E, surcado por fisuras N 40º E, N 70º E subverticales.

Page 48: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

39

b).- Depósitos Fluviales:

Corresponden a las acumulaciones de gravas arenosas y arenas gravosas,

que se localizan en lecho del cauce del Río Iruro y que no alcanzan un gran

desarrollo.

2.4.3. GEOLOGÍA ESTRUCTURAL

Las zonas media y baja de la zona de cierre de la Presa Iruro, se presentan

más alteradas, cruzadas por fracturas o fallas de cierta significación. Sobre

el estribo derecho aguas debajo de la zona de cierre se presentan gran

cantidad de fallas que prácticamente cruzan ambos flancos de la quebrada

y que representan un serio problema de tipo estructural; por lo que se

aconseja de acuerdo a lo recomendado en Estudios anteriores, disponer la

zona de cierre aguas arriba y al inicio de la zona encañonada sobre el río

Iruro.

Las principales estructuras geológicas observadas, corresponden a

sistemas de fracturas y/o diaclasas, que afectan a los afloramientos

rocosos y que han incidido en el alineamiento de la cuenca; sistemas con

las siguientes características:

a).- Azimut de buzamiento entre 160º a 200º, con ángulos de buzamientos

superiores a 75º y en algunos casos son sub verticales.

b).- Azimut de buzamiento entre 270º a 300º, con similares ángulos de

buzamientos; mayores a 75º a sub verticales.

Es conveniente indicar que en zonas con sucesivos eventos volcánicos, no

se pueden descartar la presencia de fallas, muchas de las cuales pueden

haber sido cubiertos por estos eventos

Page 49: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

40

Las capas de los volcánicos muestran un azimut de buzamiento entre 195º

a 215º, con ángulos de inclinaciones entre 25 a 30º; la tendencia es a buzar

hacia el estribo izquierdo.

La presencia de fallas y diaclasas en la zona de cierre de la Presa Iruro es

de fundamental importancia para el Proyecto, debido a que son

evidentemente planos de debilidades por los cuales se crea una

permeabilidad secundaria que determina altos procesos de infiltración a

través de la cimentación de la Presa.

Esta hipótesis de trabajo, se ha verificado durante la primera etapa de

construcción de la Presa Iruro en el proceso de inyecciones de

impermeabilización, ya que las inicialmente propuestas tuvieron que ser

ampliadas debido al mayor requerimiento de agua-cemento para poder

sellar en forma completa las fisuras y de esta manera garantizar las

condiciones de impermeabilización.

En el Diseño inicial de la Presa Iruro se tenía previsto realizar inyecciones

distanciadas a cada 5.0 m y con profundidades variables de 15.0 m a 30.0

m; sin embargo, en la fase de construcción se tuvo que aumentar el

número de inyecciones hasta obtener una separación que en promedio es

de 1.0 m a 1.50 m, sin conocerse exactamente si es que se logró sellar

completamente las fisuras y grietas existentes.

2.4.4. ESTABILIDAD DE TALUDES

La estabilidad de los estribos en la zona de presa, en general es aceptable;

en el área de implantación de la presa, predominan los afloramientos de

rocas volcánicas andesíticas del tipo aglomerados con relieves inferiores a

50º. Zonas más escarpadas se observan aguas abajo del eje de presa

seleccionado, con taludes superiores a 60º con sectores sub verticales. Las

propias características de cohesión y fricción interna de la roca andesita del

derrame volcánico determinan que sus taludes sean estables hasta con

Page 50: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

41

paredes verticales a subverticales, por lo que la estabilidad de los flancos

de la Presa se encuentra totalmente garantizada.

Los afloramientos rocosos, tienen un alto grado sostenimiento aun en la

zona de roca fuertemente intemperizada y fracturada con grietas en distinta

dirección, razón por la que no se prevén la ocurrencia de movimientos

importantes de masas que afecten la estabilidad de los estribos y se trata

de un emplazamiento estable.

En general, en la zona de cierre, no se han observado procesos

geodinámicos recientes de gran magnitud (Deslizamientos, derrumbes,

caídas de bloques, etc.) que puedan incidir en la seguridad de la obra.

2.5. APRECIACIÓN INGENIERO-GEOLÓGICA

a).- El represamiento del río Iruro se encuentra sobre un tramo encañonado

del mismo.

b).- La cuenca ha sido excavada por acción fluvio-glaciar, en rocas

mayormente volcánicas-sedimentarias, en cuya evolución han existido los

controles litológicos y estructurales.

c).- Geología: En la Zona de Presa, ambos estribos están conformados por

afloramientos de rocas volcánicas de la Formación Sencca (Andesitas,

aglomerados, Tufos y Areniscas Tufáceas) que se encuentran parcialmente

cubiertas por derrames volcánicos, que son más potentes en el estribo

izquierdo.

En general a lo largo de la sección de cierre, se infiere que las rocas

volcánicas se encontrarán con diferencial grado de meteorización,

fracturamiento y resistencia; con tendencia natural a mejorar sus

características geomecánicas en profundidad y que deben ser

corroborados con los resultados de las investigaciones con Sondeos.

Page 51: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

42

En ambos estribos se observan, fragmentos y/o bloques de rocas

volcánicas de formas sub angulosas y tamaños heterométricos, que se

distribuyen erráticamente en las laderas.

Los afloramientos rocosos se muestran afectados por sistemas de fracturas

y/o diaclasas, con alineamientos principales que siguen una orientación

paralela y normal al cauce de la quebrada; estructuras que presentan

ángulos de buzamientos superiores a 70º hasta sub verticales.

d).- Geomorfología: En el sector de la Presa, el río Iruro es más angosto y

presenta una sección transversal simétrica con flancos de pendientes

promedios entre 50º a 70º, con el estribo izquierdo menos empinado.

En la Zona de Presa, al nivel del cauce principal, el ancho promedio es

inferior a 15.00 m (Cota del cauce = 4,026.000 m.s.n.m.) y al nivel de

coronación (4,076.000 m.s.n.m.) la Presa tendrá una longitud máxima de

500 m. aproximadamente para una altura de 50.0 m.

e).- Vaso: El área del embalse, involucrará a las siguientes unidades lito

estratigráficas: Formación Sencca (Tufos y Areniscas Tufáceas) y a los

depósitos sedimentarios lacustrinos y fluvio aluviales; predominan a lo largo

del embalse los materiales de origen volcánico de Sencca, que cubren la

parte baja y los flancos del embalse.

f).- La presencia de derrames volcánicos andesíticas fracturados de media

a alta resistencia a la compresión simple y que han originado en algunos

sectores fragmentos de roca desde tamaños máximos de 1.0 m hasta

mínimos de 4”, determina la posibilidad de su utilización para la

construcción del cuerpo de la Presa. Este material puede ser explotado

muy fácilmente al pie de la obra, con lo cual se conseguirá una disminución

considerable en los costos de construcción; más aún si se toma en cuenta

que en los alrededores del área de embalse existen también limos, arenas

y gravas-limosas que constituyen materiales adecuados para su utilización

Page 52: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

43

en la construcción de una Presa. La Presa recomendada es del tipo

enrocado.

g).- La cimentación de la Presa Iruro y que está constituida por la roca

andesítica fuertemente fracturada tiene una capacidad portante muy alta y

que se encuentra gobernada por la media a alta resistencia a la

compresión simple de la matriz (Mayor a 1,000.0 Kg/cm2) y el valor del

Rock Mass Rating (RMR) que se encuentra entre 50 a 60. Esta capacidad

portante supera largamente los 10.0 Kg/cm2 que sin embargo suele

limitarse a 4.0 Kg/cm2 por cuestiones prácticas.

h).- La principal restricción que tiene la cimentación de la Presa Iruro y que

está constituida por la roca volcánica andesítica fuertemente fracturada es

su alto grado de permeabilidad (Mayor a 10-5 cm/s) que determina que por

las fisuras, grietas y fracturas del macizo rocoso se presente filtraciones

importantes de agua que deben ser tratadas adecuadamente con las

medidas correctivas del caso. Si bien es cierto, la apertura de estas grietas

se encuentran rellenadas por algo de arcilla, las altas cargas de agua a la

que ha de estar sometida el macizo rocoso de cimentación posibilitaría que

estas se erosionen muy fácilmente y constituyan a la larga canales de

filtración muy importantes.

En cuanto a la impermeabilidad se considera que las eventuales filtraciones

fuera del vaso han de ser escasas y muy puntuales, y en todo rigor,

convergen, si fuese el caso, hacia la propia cuenca del río Iruro,

concentrándose finalmente aguas abajo del cañón donde se ubica la presa

proyectada, por lo que es requisito indispensable de una adecuada

impermeabilización que la zona de cierre sea totalmente hermética a través

de las inyecciones de impermeabilización ubicadas a lo largo del Plinto en

el eje de la Presa Iruro.

Page 53: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

44

CAPÍTULO III – REVISIÓN E INTERPRETACIÓN DE LAS INVESTIGACIONES

GEOFISICAS Y GEOTECNICAS

3.1. INTRODUCCIÓN

El estado del conocimiento del subsuelo es muy bueno, por la gran

cantidad de información existente, sin embargo, en el presente capitulo se

ha realizado investigaciones complementarias destinadas básicamente a

evaluar las condiciones del macizo rocoso de cimentación ligeramente

fracturado luego de haber sido sometido a inyecciones de

impermeabilización y consolidación, en la etapa de construcción de la

década de los 80’.

Las investigaciones de campo del presente Estudio y que se describen

plenamente en este Capítulo son aquellas destinadas al análisis geotécnico

del emplazamiento de la Presa Iruro y han consistido básicamente en:

a).- Evaluación geológica-geotécnica “in situ” del suelo de cimentación

ubicado sobre el emplazamiento de la Presa Iruro.

b).- Excavación de 05 “calicatas” de 1.50 m x 2.10 m por 3.0 m de

profundidad mínima en el área de embalse de la Presa Iruro, tomando en

cuenta las variaciones geológicas de campo y los requerimientos de

información para obras específicas de la Presa.

c).- Toma de muestras alteradas e inalteradas en cada una de las

“calicatas” excavadas, que permitan la ejecución de ensayos de laboratorio

y recopilación de información, destinada a obtener las propiedades físico-

mecánicas y químicas de los suelos.

d).- Realización de 10 Líneas de Refracción Sísmica de 150.0 m a 200.0 m

y 02 Ensayos MASW en el área del Vaso y Cierre de la Presa Iruro hasta

alcanzar una profundidad máxima de 50.0 m. Los trabajos de investigación

Page 54: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

45

geofísica estuvieron a cargo de la empresa GEOTECNICOS Y

GEOFISICOS LATINOS S.A.C. y fueron supervisadas en todo momento

por el Consultor especialista en Geotecnia de NV Building S.A.C. Las

Líneas Sísmicas se han denominado del LS-01 hasta el LS-10 y las

estaciones MASW de MASW-01 a MASW-02 realizadas sobre las dos

primeras líneas (LS-01 y LS-02).

e).- Realización de 03 Sondeos con recuperación de testigos, utilizando

perforación rotativa diamantina hasta una profundidad máxima de 40.0 m

en puntos específicos de la zona de cierre de la Presa, con una

Perforadora Diamantina Maquesonda y accesorios correspondientes. Las

perforaciones estuvieron a cargo de la empresa ESONDI S.A. y fueron

supervisadas en todo momento por el Consultor. Los “sondeos” se han

denominado del S-01 hasta el S-03.

f).- Realización de Ensayos de permeabilidad en cada uno de los sondeos

y a diferentes profundidades. Los Ensayos realizados fueron del tipo

Lefranc con carga constante y del tipo Lugeon a presión en roca. En total

para los 03 sondajes se realizaron 16 Ensayos de permeabilidad (21

Lefranc y 03 Lugeon).

f).- Realización de 03 Estaciones geomecánicas; las cuales se encuentran

ubicadas en el mismo punto de ubicación de los Sondeos. Estas

estaciones permiten realizar la descripción litológica de la matriz y macizo

rocoso de la cimentación, muestreo de rocas y determinación del valor del

Rock Mass Rating (RMR).

Para la mejor interpretación de los resultados obtenidos de las

investigaciones realizadas en campo estas se clasificaron en:

Investigaciones Geofísicas

Investigaciones Geotécnicas

Page 55: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

46

3.2. INVESTIGACIONES GEOFÍSICAS

3.2.1. GENERALIDADES

En el presente capitulo se abordan los aspectos geofísicos con el propósito

de determinar las características geotécnicas y parámetros dinámicos del

terreno, para lo cual se ejecutaron ensayos de prospección geofísica

correspondiente a 10 líneas de refracción sísmica para la obtención de las

ondas P y la ejecución de 02 puntos de ensayos MASW, para la

obtención de ondas S.

3.2.2. OBJETIVO DE LOS TRABAJOS

El objetivo de la investigación geofísica es la determinación de los perfiles

sísmicos del suelo en función a sus características de propagación de

ondas, con profundidades de investigación variables según el objetivo

específico de cada línea. Además, lograr un mayor conocimiento de las

propiedades de las diferentes capas que servirán para complementar la

información de la superficie y el sub suelo, las cuales serán utilizadas como

información complementaria para realizar el estudio con fines de

cimentación de la Presa Iruro.

3.2.3. DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN

3.2.3.1. MÉTODO DE REFRACCIÓN SÍSMICA

El ensayo de refracción sísmica consiste en la medición de los tiempos

de viaje de las ondas compresionales (Ondas P) y algunas veces de las

ondas de corte (Ondas S) generadas por alguna fuente de energía

impulsiva a unos puntos localizados a diferentes distancias a lo largo de

un eje sobre la superficie del suelo. La energía es detectada,

Page 56: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

47

amplificada y registrada, de tal manera que puede determinarse su

tiempo de arribo en cada punto.

El inicio de la grabación es dado a partir de un dispositivo o SWITCH

que da el tiempo cero para evaluar el tiempo recorrido. Estos datos de

tiempo y distancia, usando para cada caso especial una variación del

punto de SHOT (o aplicación de la energía) permiten evaluar las

velocidades de propagación de las ondas P a través de los diferentes

suelos y rocas, cuyas estructuras, geometría y continuidad son

investigadas. Se estila usar el método de “Delete Time” para el análisis

de los resultados.

Todas las formas de análisis manejan criterios que utilizan la suposición

de la Ley de Snell en cuanto a la reflexión y refracción de las ondas P.

De los espesores y las velocidades de propagación de ondas P

obtenidas, las características geotécnicas pueden ser correlacionadas a

la compacidad y densidad, esto puede llevar a evaluaciones erróneas

ante la presencia de niveles freáticos, los cuales pueden ser

investigados específicamente con la refracción.

Aparte del equipo SmartSeis S24, se cuenta con 24 geófonos de 14 Hz

de frecuencia natural con amortiguadores instalados y conexiones de

cable, 24 geófonos de 4.5 Hz .El cable de disparo tiene una longitud de

193 metros. El equipo puede ser disparado con martillo de 12 Kg, 75 Kg

ó 300 Kg de peso o con explosivos. Se cuenta con los programas

SEISIMAGER para realizar los análisis de refracción sísmica.

Page 57: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

48

Figura Nº 4: DISPOSICIÓN EN EL CAMPO DE UN SISMÓGRAFO DE 24 CANALES MOSTRANDO LA DIRECCIÓN DE LAS ONDAS SÍSMICAS DIRECTAS Y REFRACTADAS, EN UN SISTEMA SUELO/ROCA DE 2 ESTRATOS. (C = ÁNGULO CRÍTICO).

En el presente trabajo se utilizó el equipo de prospección sísmica

SmartSeis S24 con 24 canales de registro, cables con espaciamiento

máximo para geófonos de 10 m, geófonos magnéticos y graficador de

papel térmico de alta resolución. La distribución de los disparos se

realizó de la siguiente manera.

Figura Nº5: DISPOSICIÓN EN EL CAMPO DE LOS GEÓFONOS Y SHOT (PUNTOS DE

DISPARO).

Donde:

e = Espaciamiento entre geófonos.

L = Longitud total de tendido.

La longitud del tendido estuvo en función a la profundidad de

investigación, la accesibilidad y el espacio disponible, siempre teniendo

en cuenta que la profundidad de investigación viene dada por la

siguiente relación: H L/3

L

Page 58: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

49

Los registros sísmicos obtenidos se procesan con el software de

Geometric “SeisImager”, para preparar las curvas tiempo-distancia

(dromocrónicas) con las que se calculan las velocidades y espesores de

los estratos sísmicos mediante el método de “Delete Time”, tiempo de

retardo, aplicado en diferentes formas por diversas escuelas,

indicándose las características más saltantes del análisis e

interpretación para el presente estudio.

Figura Nº6: OBTENCIÓN DE DROMOCRÓNICAS, VELOCIDADES Y ESTRATOS.

3.2.3.2. MÉTODO DE ANÁLISIS DE ONDAS SUPERFICIALES MASW

El método SASW o Spectral Analysis of Surface Waves fue

desarrollado entre 1999 y 2000 por los ingenieros y científicos del

Kansas Geological Survey (KGS). Ahora es más aceptado el nombre de

Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW). Las técnicas de

modelado han sido mejoradas desde entonces hasta obtener la

precisión disponible en la actualidad, la cual es mayor que la de los

registros convencionales tipo Down-Hole. Una de las ondas menos

utilizadas en el pasado era la onda de superficie, también conocida

como Rayleigh o Groundroll, por interferir con las reflexiones y

refracciones de las ondas de sonido, necesarias para los estudios

sísmicos. Por esto, las ondas de superficie eran generalmente filtradas

Page 59: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

50

de los sismogramas. Los investigadores del KGS pudieron determinar

que las ondas de superficie tienen un componente principal de más de

98% de onda S y menos de 2% de onda P. La investigación también

mostró que las ondas de superficie se atenúan a mayores frecuencias y

con una disminución de velocidad de fase.

La imagen que se ve a continuación muestra la atenuación típica de

una onda de superficie, desde sus inicios a 5Hz hasta su desaparición a

30Hz, con los colores rojo-amarillo-verde-celeste- magenta.

Una vez que la onda de superficie ha sido correctamente identificada,

se procede al modelado de la onda S mediante un proceso iterativo,

para obtener como resultado final una curva de variación de velocidad

de onda S a diversas profundidades.

Figura Nº7: PROCESOS DE ANÁLISIS DE LA TÉCNICA DEL MASW.

Page 60: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

51

3.2.3.3. TRABAJOS DE CAMPO

Se llevaron a cabo investigaciones de prospección geofísica,

empleando el método de Refracción Sísmica y el Método de Análisis de

Ondas Superficiales MASW: con el objeto de determinar el perfil

estratigráfico de la zona en estudio. Estas investigaciones están

orientadas a conocer las características físicas de los materiales en

profundidad. Se ejecutaron un total de 10 líneas sísmicas acumulando

un total de 1550.00 m de prospección sísmica y 2 puntos de MASW.

En la Figura Nº8, se detalla la ubicación en planta de todas las líneas de

refracción sísmicas realizadas en el área de emplazamiento de la Presa

Iruro.

En el Cuadro Nº6 se presenta un resumen de la distribución de las

líneas sísmicas, y las estaciones del Método MASW.

Cuadro Nº6: DISTRIBUCIÓN DE LAS LÍNEAS SÍSMICAS Y ESTACIONES DEL MASW.

UBICACIÓN LINEA LONGITUD (m.)ESTACIONES

MASW

Cauce del rio, margen derecha, aguas

abajo del eje de la represaLS – 01 150 MASW-01

Cauce del rio, margen izquierda, aguas

abajo del eje de la represaLS – 02 150 MASW-02

Margen izquierda , costado plinton LS – 03 150

Alineacion del plinton, margen izquierda LS – 04 200

Alineacion del plinton, margen izquierda LS – 05 150

Cauce del rio, margen izquierda, aguas

arriba del eje de la presaLS – 06 150

Cauce del rio, margen derecha, aguas

arriba del eje de la presaLS – 07 150

Margen derecha, costado plinton LS – 08 150

Margen derecha, parte alta LS – 09 150

Margen derecha parte alta LS – 10 150

Page 61: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

52

Figura Nº8: DISTRIBUCIÓN DE LAS LÍNEAS SÍSMICAS REALIZADAS

3.2.3.4. RESULTADOS DEL ENSAYO DE REFRACCIÓN SÍSMICA Y DEL

MÉTODO MASW

A continuación se presenta un resumen de los resultados de velocidad

de propagación de ondas P y ondas S; el número de estratos

identificados.

Page 62: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

53

Cuadro Nº7: RESULTADOS DE LÍNEAS GEOFÍSICAS

LíneaLongitud

(m.)

Distribució

n Geófonos

(m.)

Estratos

Estrato N°1

Vp(m/s)

Estrato N°2

Vp(m/s)

Estrato N°3

Vp(m/s)

LS - 01 150 6 3 414 1576 3802

LS – 02 150 6 3 728 2959 3602

LS – 03 150 6 3 515 3088 4304

LS – 04 200 8 3 837 3224 3936

LS – 05 150 6 3 1102 2903 3459

LS – 06 150 6 3 656 1743 3644

LS – 07 150 6 3 490 2432 3971

LS – 08 150 6 3 300 2353 3678

LS – 09 150 6 3 300 2090 3240

LS - 10 150 6 3 300 2191 3228

Cuadro Nº8: PROFUNDIDADES DE LOS ESTRATOS DE LAS LÍNEAS SÍSMICAS

Estrato N°1 Estrato N°2 Estrato N°3

LS - 01 0.00-4.60 4.60-11.60 >11.60

LS - 02 0.00-0.80 0.80-15.50 >15.50

LS - 03 0.00-1.40 1.40-18.00 >18.00

LS - 04 0.00-2.00 2.00-15.00 >15.00

LS - 05 0.00-3.60 3.60-8.00 >8.00

LS – 06 0.00-2.00 2.00-4.70 >4.70

LS – 07 0.00-3.00 3.00-11.80 >11.80

LS – 08 0.00-1.00 1.00-5.00 >5.00

LS – 09 0.00-1.00 1.00-7.70 >7.70

LS - 10 0.00-0.30 0.30-7.40 >7.40

Profundidades (m)Líneas

Sísmicas

Page 63: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

54

Cuadro Nº9: RESULTADOS DE LAS ESTACIONES DE LA TÉCNICA DEL MASW

0 1098.4 0 1411.3

1.1 345.1 1.1 1617.4

2.2 429.9 2.2 1508.8

3.5 412.6 3.5 1315.4

4.9 609.4 4.9 1110.6

6.4 707.3 6.4 1049.8

8.1 787.9 8.1 1199.6

9.8 861 9.8 1327.6

11.7 943.2 11.7 1422.7

13.7 1035.4 13.7 1455.7

15.8 1137.7 15.8 1469

18 1237.6 18 1449.7

20.4 1347.5 20.4 1469.4

22.8 1406.6 22.8 1606.7

25.4 1444.7 25.4 1703.7

28.1 1455.4 28.1 1886.8

30.9 1416 30.9 2082.1

33.8 1352.7 33.8 2246.9

36.8 2064.5 36.8 1809.6

46.3 2423.5 46.3 2790.1

Vs /(m/seg)

MASW 01 MASW 02

Profundidad

(m)

Profundidad

(m)

Velocidad

Vs /(m/seg)

Velocidad

3.2.4. EVALUACIÓN DE LA REFRACCIÓN SÍSMICA Y ANÁLISIS DE LA

TÉCNICA MASW

La evaluación de la refracción sísmica ha consistido en graficar el perfil

topográfico de la superficie del terreno, indicando los puntos de localización

de los geófonos y de los disparos (shot). Para cada una de las líneas

sísmicas se han establecido perfiles sísmicos con valores de velocidad de

propagación de ondas compresionales (ondas P) en base a las

dromocrónicas calculadas de los registros de llegada de las ondas.

Page 64: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

55

La interpretación de los ensayos de refracción sísmica se realizó tomando

en cuenta experiencias anteriores y considerando las siguientes tablas de

velocidades.

Cuadro Nº10: ARCE HELBERG (1990)

Descripción Vp (m/s)

Suelo de cobertura < 1000

Roca muy alterada o aluvión compacto 1000 – 2000

Roca alterada o aluvión muy compacto 2000 – 4000

Roca poco alterada 4000 – 5000

Roca firme > 5000

Cuadro Nº11: ASTM D 5777 – 95

Descripción Vp (m/s)

Suelo intemperizado 204 – 610

Grava o arena seca 460 – 915

Arena saturada 1220 – 1830

Roca metamórfica 3050 - 7000

Cuadro Nº12: CASO: CURVICH J. (1975), DOBRIN, MILTON (1961), NB (1976), SAVICHA Y SATONOV V.A. (1979)

Descripción Vp (m/s)

Esquisto arcilloso 2700 – 4800

Grava arcillosa seca 300 – 900

Arena – arena húmeda 200 – 1800

Roca metamórfica 4500 – 6800

Cuadro Nº13: RECOPILACIÓN DE MARTÍNEZ VARGAS A. (1990)

Descripción Vp (m/s)

Arena suelta sobre el manto freático 245 – 610

Suelo blando < 300

Arena suelta bajo el manto freático 45 – 1220

Arenas y gravas 300 – 1000

Arena Suelta mezclada con grava

húmeda455 – 1065

Rocas blandas, grava y arena compacta 1000 – 2000

Grava suelta, húmeda 455 – 915

Roca compacta 2000 – 4000

Roca muy compacta > 4000

Page 65: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

56

Cuadro Nº14: RECOPILACIÓN MARTINEZ DEL ROSARIO J. 1997

Natural Saturada

Turba 90 250

Arcilla 350 1350

Grava 650 2250

DescripciónVp (m/s)

3.2.5. INTERPRETACIÓN DE LOS PERFILES SÍSMICOS

CAUCE DEL RIO: se ejecutaron las líneas sísmicas LS-01, LS-02, LS-06 y

LS-07, acompañado de la estación MASW 01, se pudo identificar 3

perfiles sísmicos en todas las líneas, encontrándose similitud en los valores

de velocidad de las líneas sísmicas LS-01 y LS-06, respectivamente en las

líneas LS-02 y LS-07.

En el tercero estrato en todas estas líneas, los valores de Vp son

similares, a diferencia de los otros 2 estratos dado que están expuestos a

diferentes grados de meteriorización.

LS-01 y LS-06: Cuyos valores son: Primer estrato Vp=414 y 656 m/seg y

con Vs=345 y 429 m/seg; con profundidad variable entre 0-1.25m y 0-

4.40m, correspondiendo a un suelo de cobertura. Segundo estrato

Vp=1576 y 1743 m/seg y con Vs=609 y 943 m/seg; con profundidad

variable entre 1.25-5.30m y 4.40-10.25 m, correspondiendo a una roca muy

alterada o aluvión compacto; finalmente un Tercer Estrato Vp=3644 y 3802

m/seg y con Vs=1035 y 1455 m/seg; con profundidades mayores a 5.30 y

10.25 m, correspondiendo a una roca poco alterada.

LS-02 y LS-07: Primer estrato Vp=490 y 728 m/seg, con profundidades

variables entre 0- 0.25m y 0- 0.90m, correspondiendo a un suelo de

cobertura. Segundo estrato Vp=2432 y 2959 m/seg, con profundidades

variables entre 0.90-10.90m y 0.25-16.20m, correspondiendo a una roca

alterada. Finalmente un tercer estrato Vp=3602 y 3971 m/seg con

profundidades mayores a 10.90 y 16.20m, correspondiendo a una roca

poco alterada.

Page 66: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

57

MARGEN IZQUIERDA: se ejecutaron las líneas sísmicas LS-03, LS-04 y

LS-5, en los cuales se infirió 3 estratos, los valores de velocidades Vp son

similares en las líneas LS-03 y LS-04 en sus 3 estratos. Primer estrato: Vp

entre 515 y 837 m/seg, con profundidades que varían entre 0 -1.40m y 0-

1.60m; correspondiendo a un suelo de cobertura. Segundo estrato:

Vp=3088 y 3224 m/seg, con profundidad variable entre 1.40-15.15m y

1.60-14.65m, correspondiendo a una roca poco alterada. Tercer estrato:

Vp=3936 y 4304 m/seg, encontrándose a partir de los 15.50m,

correspondiendo a una roca sana.

LS-05: Primer estrato: Vp =1102 m/seg, con profundidades entre 0 -2.15m;

correspondiendo a un suelo de cobertura o roca muy alterada. Segundo

estrato: Vp=2903 m/seg, con profundidad entre 2.15- 6.85 m,

correspondiendo a una roca alterada. Tercer estrato: Vp=3459 m/seg,

encontrándose a partir de los 6.85, correspondiendo a una roca poco

alterada.

MARGEN DERECHA: Se ejecutaron las líneas sísmicas LS-08, LS-09 y

LS-10 , acompañado del ensayo MASW 02, infiriéndose 3 estratos, los

valores de velocidades Vp son similares en todas estas líneas:

Primer estrato: Vp=300 m/seg, con profundidades que varían entre 0-0.60

y 0-1.87m; correspondiendo a un suelo de cobertura.

Segundo estrato: Vp=2090 y 2353 m/seg, con Vs =1511 m/seg; con

profundidad variable entre 1.15 -9.15m y 1.87- 6.40m, correspondiendo a

una roca alterada.

Tercer estrato: Vp=3228 y 3678 m/seg, con Vs= 2163 m/seg;

encontrándose a partir de los 6.95 y 6.37m, correspondiendo a una roca

poco alterada.

A continuación se presentan las figuras con los detalles de todas las líneas

de refracción realizadas en la Presa Iruro.

Page 67: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

58

Figura Nº9: LÍNEA SÍSMICA LS-01

3990

4000

4010

4020

4030

4040

Elevation

(m)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

(m)Distance

(m/s)

414

790

1167

1543

1919

2296

2672

3049

3425

3801

Scale = 1 / 750

414

1576

3802

Figura Nº10: LÍNEA SÍSMICA LS-02

3990

4000

4010

4020

4030

4040

4050

4060

Elev

atio

n

(m)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

(m)Distance

(m/s)

728

1048

1367

1686

2005

2325

2644

2963

3282

3601

Scale = 1 / 750

728 2959

3602

Figura Nº11: LÍNEA SÍSMICA LS-03

3990

4000

4010

4020

4030

4040

4050

4060

4070

4080

Elev

atio

n

(m)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

(m)Distance

(m/s)

515

725

936

1146

1357

1567

1778

1988

2199

2409

2620

2830

3041

3252

3462

3673

3883

4094

4303

Scale = 1 / 750

515

3088

4304

Page 68: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

59

Figura Nº12: LÍNEA SÍSMICA LS-04

4010

4020

4030

4040

4050

4060

4070

4080

4090

Elevation

(m)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

(m)Distance

(m/s)

837

1181

1525

1870

2214

2558

2903

3247

3592

3935

Scale = 1 / 750

837

3224

3936

Figura Nº13: LÍNEA SÍSMICA LS-05

4030

4040

4050

4060

4070

4080

Elevation

(m)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

(m)Distance

(m/s)

1102

1364

1626

1888

2149

2411

2673

2935

3197

3458

Scale = 1 / 750

1102 2903

3459

Figura Nº14: LÍNEA SÍSMICA LS-06

4000

4010

4020

4030

4040

4050

Elevation

(m)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

(m)Distance

(m/s)

656

988

1320

1652

1984

2316

2648

2980

3312

3643

Scale = 1 / 750

656

1743

3644

Page 69: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

60

Figura Nº15: LÍNEA SÍSMICA LS-07

3990

4000

4010

4020

4030

4040

4050

Elevation

(m)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

(m)Distance

(m/s)

490

877

1264

1650

2037

2424

2811

3197

3584

3970

Scale = 1 / 750

490

2432

3971

Figura Nº16: LÍNEA SÍSMICA LS-08

4010

4020

4030

4040

4050

4060

4070

4080

4090

Elev

atio

n

(m)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

(m)Distance

(m/s)

300

675

1051

1426

1801

2177

2552

2927

3303

3677

Scale = 1 / 750

300 2353

3678

Figura Nº17: LÍNEA SÍSMICA LS-09

4030

4040

4050

4060

4070

4080

4090

4100

Elevation

(m)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

(m)Distance

(m/s)

300

627

953

1280

1607

1933

2260

2587

2913

3239

Scale = 1 / 750

300

2090

3240

Page 70: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

61

Figura Nº18: LÍNEA SÍSMICA LS-10

4040

4050

4060

4070

4080

4090

4100

Elev

atio

n

(m)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

(m)Distance

(m/s)

300

625

951

1276

1601

1927

2252

2578

2903

3227

Scale = 1 / 750

300

2191

3228

3.2.6. CONCLUSIONES

En el presente estudio se ha inferido que en las zonas donde está ubicada

el eje de la presa, predomina la roca alterada a poco alterada.

Podemos concluir que el material con velocidades < 1000 m/seg

corresponden a un suelo de cobertura, asimismo con velocidades entre

1000 y 2000 m/seg corresponden a una roca muy alterada o aluvión

compacto, los materiales con velocidades 2000 y 3000 m/seg.

Corresponden a una roca alterada, de igual manera los que se encuentran

entre 3000 y 4000 m/seg. Corresponden a una roca poco alterada y

finalmente los materiales con velocidades mayores a 4000 m/seg

corresponden a una roca sana.

Según los resultados de los ensayos MASW, se determinó 4 estratos.

Se recomienda realizar ensayos de exploración directa para verificar la

aproximación dada con ensayos de perforación diamantina en profundidad.

Los valores del módulo de Poisson para la roca obtenidos se encuentran

dentro del orden con un valor de 0.24 a 0.38.

Page 71: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

62

3.3. INVESTIGACIONES GEOTÉCNICAS Y GEOGNÓSTICAS

3.3.1. GENERALIDADES

Las investigaciones del subsuelo al igual que las otras áreas de

investigación de la ingeniería, han evolucionado significativamente en los

últimos años, dentro de las cuales son las exploraciones geotécnicas

mediante los métodos convencionales en base a excavación a cielo abierto

(calicatas), sondajes a rotación ó con posteadora manual, las que no llegan

a satisfacer la información necesaria del subsuelo, y debido a que se debe

realizar un estudio geotécnico hasta la profundidad donde llega la influencia

del Bulbo de Presiones, además teniendo en consideración que muchas

veces no se llega alcanzar dichas profundidades con los sistemas antes

mencionados (calicatas, sondeos, etc.); se hace necesario la investigación

del subsuelo mediante el uso de Perforadora Diamantina con recuperación

de muestra que es utilizado en todo tipo de suelo y mantos rocosos donde

la profundidad a perforar depende del equipo a utilizar y que en algunos

campos como el de la minería y el petróleo, estas perforaciones alcanzan

profundidades superiores a los 1000m. A esta técnica de recuperación de

muestras alteradas también se complementan ensayos para determinar la

permeabilidad del tipo Lefranc en suelos y Lugeon en Rocas a lo largo de

los sondeos, además mediante la colocación de tubos piezométricos dentro

de los sondeos realizados se puede monitorear la variación del nivel

freático con respecto al tiempo.

A continuación se hace la descripción de las investigaciones y resultados

obtenidos en los trabajos de geotécnica mediante sondajes diamantinos y

la recolección de muestras inalteradas y ensayos insitu realizados en la

zona donde se ubica la Presa Iruro.

Los perfiles estratigráficos de los puntos de investigación en el eje de la

Presa están conformados por rocas sedimentarias tipo aluvial, color gris

claro y rocas volcánicas color gris claro a gris azulado.

Page 72: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

63

3.3.2. OBJETIVO DE LOS TRABAJOS

Los trabajos realizados por ESONDI S.A. tuvieron como finalidad la de

determinar el perfil estratigráfico, ensayos de permeabilidad, consistencia

de los suelos y rocas extraídas de sondajes respectivos.

3.3.3. PERFORACIONES REALIZADAS

3.3.3.1. INFORMACIÓN GENERAL DE LOS SONDAJES

El programa de perforaciones ejecutadas desde 29/10/09 hasta

17/11/09 es de 120.00m, distribuidos en tres (03) sondajes diamantinos

en cada sondaje diamantino de 40m cada uno respectivamente.

Las líneas de perforación utilizadas fueron las siguientes:

Cuadro Nº15: LÍNEAS DE PERFORACIÓN

LINEA DIÁMETRO DE

SONDEO (mm)

DIÁMETRO DE TESTIGOS (mm)

HW 117.00 102.00

HQ 95.60 77.00

Las brocas utilizadas en las perforaciones de diamantes impregnadas

marca Boyles Bros, de serie 2 # 221403-S2 y serie 9 # 1161733. Como

fluido de perforación se utilizó el agua proporcionada por bombeo del

río al sondaje.

El método empleado en el sondaje, fue el rotativo con recuperación

continua de testigos, es decir, aquel que atraviesa los materiales

cortándolos por medio de la acción giratoria de una broca de diamantes

a alta velocidad y a presiones adecuadas al tipo de suelo o roca a

perforarse.

Page 73: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

64

Durante la perforación de los materiales sueltos ya sea suelo o roca

alterada se uso revestimiento o casing (línea HW), para evitar

derrumbes de la pared del sondeo.

El tiempo aproximado de duración de las perforación en el sondaje es

variado de acuerdo a la longitud de los sondeo, ejecutados en jornadas

de 12 horas por turno, siendo el avance promedio diario de 5.00m a

15.00m respectivamente dependiendo de la cantidad de ensayos y las

dificultades en el traslado de un punto de sondeo a otro y las

condiciones del clima.

El total de perforación realizada se resume en el cuadro siguiente:

Figura Nº19: UBICACIÓN DE LOS PUNTOS DE PERFORACIÓN

Page 74: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

65

Cuadro Nº16: RESUMEN PERFORACIONES REALIZADAS

SONDEO

UBICACION LONGITUD DE PERFORACIÓN

(m)

NIVEL FREÁTICO

(m)

S – 01 INTERSECCION PLINTO Y

VERTEDERO 40.00 6.20

S – 02 DEL PLINTO 40.00 29.40

S – 03 DEL PLINTO 40.00 2.80

Las incidencias ocurridas durante la perforación, tales como el nivel

freático, retorno de agua de perforación, color de agua, capacidad de

infiltración de los suelos y rocas etc. La descripción del tipo, naturaleza

y de las características geomecánicas de los suelos y rocas

encontradas, así como los porcentajes de recuperación son indicados

en los correspondientes registros de perforación.

Cuadro Nº17: INCIDENCIAS OCURRIDAS DURANTE LA PERFORACIÓN SONDEO Nº1

SONDAJE FECHA N. F

(m.)

COLOR DE

AGUA

RETORNO DE

AGUA (%)

S-01

29/10/2009 Seco Beige Claro 55

30/10/2009 Seco Plomizo 55

31/10/2009 6.20 Plomizo 40

01/11/2009 6.25 Plomizo 40

02/11/2009 7.00 Plomizo 55-70

03/11/2009 7.00 Plomizo 55

04/11/2009 7.00 Plomizo 55

S - 01

Ubicación : Intersección plinto y vertedero

Coordenadas : X: 578672 Y: 8411116 Z: 4076

Profundidad perforada : 40.00m

Inclinación del sondeo : 90°

Inicio de perforación : 29.10.09

Fin de perforación : 04.11.09

Longitud de tramo de suelo : 00.00.

Longitud de tramo de roca : 40.00 m

Revestimiento : 0.00m

Perforación HQ : 40.00m

Page 75: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

66

Cuadro Nº18: INCIDENCIAS OCURRIDAS DURANTE LA PERFORACIÓN SONDEO Nº2

SONDAJE FECHA N. F (m.)

COLOR DE AGUA

RETORNO DE AGUA (%)

S-02

07/11/2009 Seco Plomizo 97 - 100

08/11/2009 Seco Plomizo 100

09/11/2009 Seco Plomizo 100

10/11/2009 27.80 Plomizo 100

11/11/2009 29.40 Plomizo 100

S - 02

Ubicación : Plinton

Coordenadas : X: 578657 Y: 8411345 Z: 4059

Profundidad perforada : 40.00 m

Inclinación del sondeo : 90°

Inicio de perforación : 07.11.09

Fin de perforación : 11.11.09

Longitud de tramo de suelo : 00.00.

Longitud de tramo de roca : 40.00 m

Revestimiento : 0.60 m

Perforación HQ : 40.00 m

Cuadro Nº19: INCIDENCIAS OCURRIDAS DURANTE LA PERFORACIÓN SONDEO Nº3

SONDAJE FECHA N. F

(m.)

COLOR DE

AGUA

RETORNO DE

AGUA (%)

S-03

14/11/2009 1.80 Beige Claro 90 - 100

15/11/2009 2.20 Plomizo 90 - 100

16/11/2009 2.20 Plomizo 90 - 100

17/11/2009 2.80 Plomizo 90 - 100

S - 03

Ubicación : Plinton

Coordenadas : X: 578605 Y: 8411394 Z: 4039

Profundidad perforada : 40.00 m

Inclinación del sondeo : 90°

Inicio de perforación : 14.10.09

Fin de perforación : 17.11.09

Page 76: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

67

Longitud de tramo de suelo : 00.00.

Longitud de tramo de roca : 40.00 m

Revestimiento : 0.98 m

Perforación HQ : 40.00 m

3.3.3.2. DESCRIPCIÓN DE LOS SONDEOS

Cuadro Nº20: DESCRIPCION LITOLOGICA SONDEO Nº1

DE

A

DESCRIPCION LITOLOGICA

0.00 1.90

Roca volcánica tipo lavas piroclásticas, de color gris claro a gris verdoso, presenta nódulos de 1mm a 2 cm de diámetro máximo, textura rugosa, porosa, poco consistente, medianamente fracturada, medianamente descompuesta, irregular.

1.90 2.20 Posible zona de falla - (lama)

2.20 6.90

Lavas piroclásticas de color gris, textura rugosa, irregular, presenta nódulos, se observan oxidaciones ferruginosas, poco consistente,

medianamente fracturadas, presenta fracturas con ángulo de inclinación de 75º a 80º con respecto al eje de perforación.

6.90 7.90

Tufos volcánicos de mediana consistencia, muy descompuesta, medianamente fracturada, presenta nódulos de 1 a 5 cm de diámetro, fractura rugosa, presenta rellenos limos en las fracturas, ángulo de fractura 75º con respecto al eje de la perforación, irregular, presenta patina de color amarillo verdoso.

7.90 16.80

Tufos volcánicos, de color gris verdoso a gris amarillento, poca

consistencia a medianamente consistente, extremadamente fracturada, muy descompuesta, textura rugosa, porosa, irregular, en los planos de junta presenta rellenos de limos y oxidaciones ferruginosas.

16.80 19.10

Tufos volcánicos, de color gris verdoso, gris amarillento, mediana consistencia, moderadamente descompuesta, poco fracturada, rugosa, presenta oquedades de 5mm de espesor, bajo grado de

oxidación.

19.10 20.50

Tufos volcánicos, de color gris verdoso a gris amarillento, poco consistente muy descompuesto, extremadamente fracturado, textura rugosa, irregular, presenta alto grado de oxidación ferruginosa, relleno los planos de junta limoso no plástico.

22.50 22.60 Roca sedimentaria tipo limonita, de color grisáceo a gris azulado, poco consistente, muy descompuesto, muy fracturado, regularidad curva, lisa, presenta patina de color verde claro.

22.60 35.30

Tufos volcánicos, color gris amarillento a gris verdosa, muy

descompuesto, poco consistente, muy fracturado, de textura rugosa, porosa, irregular, presenta oquedades de 1mm a 2mm de diámetro, presenta fracturas rellenadas por óxidos y limos con ángulo de inclinación de 55º con respecto al eje de la perforación.

35.30

40.00

Lavas piroclásticas, color grisáceo, presenta nódulos de 2cm a 3cm de diámetro, poco consistente, muy descompuesta, medianamente fracturada, irregular, porosa, se raya con facilidad con la navaja.

Page 77: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

68

Cuadro Nº21: DESCRIPCION LITOLOGICA SONDEO Nº2

DE

A

DESCRIPCION LITOLOGICA

0.00 1.00 Tufos volcánicos de color gris plomizo, presenta nódulos hasta 2.5 cm de diámetro, textura porosa, rugosa, medianamente consistente, medianamente descompuesto, poco fracturado.

1.00 2.50

Lava piroclástica, de color gris claro, poco consistente, medianamente descompuesto, medianamente fracturado, presenta oquedades de 1mm a 1cm de espesor, de 2.00 a 2.50m se observan inyecciones de concreto, con ángulo de inclinación de 75º con

respecto al eje de la perforación, presenta oxidaciones ferruginosas, presenta patina amarilla, de textura rugosa.

2.50 3.90 Tufos volcánicos, poco consistente, muy descompuesto, muy fracturado, presenta nódulos de 2 cm de diámetro y oquedades de 2mm de espesor, textura rugosa, irregular.

3.90 7.95 Tufos volcánicos, poco consistente, muy descompuestos, extremadamente fracturado, muy oxidada, presenta oquedades de 1mm de espesor, textura rugosa, irregular.

7.95 11.40

Tufos piroclásticos, color grisáceo, presenta nódulos de 2 a 3.5 cm

de diámetro, presenta de alto grado de oxidación, patina color verde, con ángulo de inclinación de 80º con respecto al eje de perforación, poco consistente, medianamente descompuesto, medianamente fracturado, textura rugosa.

11.40 16.20 Lavas piroclásticas, color grisáceo, con patina color verde, con oxidaciones, medianamente descompuesta, medianamente consistente, medianamente fracturado, irregular, rugosa.

16.20 19.45

Tufos volcánicos, porosa, color gris azulado a grisáceo, presenta

nódulos, de 2 a 3 cm de diámetro, poco consistente, medianamente descompuesto, medianamente fracturado, rugoso.

19.45 28.00

Tufos volcánicos, color grisáceo, presenta nódulos de 2 a 4 cm de diámetro, presencia de oxidaciones, tonalidades blanquecinas, rojizas, medianamente descompuesta, consistente, poco fracturada, rugosa.

28.00 30.90 Tufos volcánicos, color grisáceo, textura rugosa, poco fracturado, medianamente consistente, poco descompuesto, con ángulo de

inclinación de 70º con respecto al eje de perforación.

30.90 34.40 Lavas piroclásticas, color grisáceas, presenta patina color verde, poco consistente, medianamente fracturada, muy descompuesta, de textura rugosa.

34.40 37.60 Tufos volcánicos, presencia de relleno de limo y óxidos, nódulos de 2 a 3cm de diámetro, medianamente descompuesta, consistente, medianamente fracturado.

37.60 40.00

Tufos volcánicos, color grisáceo, patina color verde, a amarillenta, presenta porosidad, oxidaciones, con ángulo de inclinación de 70º

con respecto al eje de la perforación, textura rugosa, nódulos de 2 a 3cm de diámetro, medianamente consistente, poco fracturada, poco descompuesta.

Page 78: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

69

Cuadro Nº22: DESCRIPCION LITOLOGICA SONDEO Nº3

DE

A

DESCRIPCION LITOLOGICA

0.00 1.20 Tufos volcánicos, color gris claro a gris plomizo, porosa, textura rugosa, medianamente consistente, poco fracturada, medianamente descompuesta, rugosa.

1.20 1.35 Posible zona de falla

1.35 1.80 Tufos volcánicos, color grisáceo, presenta oxidaciones, porosidad, poco fracturado, poco consistente, medianamente descompuesta, textura rugosa.

1.80 6.10

Lavas piroclásticas, color grisáceo, presenta patina color verde, nódulos de 2 cm de diámetro, rugoso, medianamente descompuesto,

poco fracturado, poco consistente, con ángulo de inclinación de 80º con respecto al eje de la perforación.

6.10 6.30 Lava piroclástica, poco fracturada, medianamente descompuesta, poco consistente, rellena por limo y oxidaciones, textura rugosa.

6.30 8.50

Lava piroclástica, color grisáceo, presenta nódulos de 2 a 3cm, de diámetro, medianamente descompuesta, medianamente fracturada, poco consistente, rugosa, con ángulo de inclinación de 80º con respecto al eje de la perforación.

8.50 10.00

Lava piroclástica, color grisáceo, presenta patina color verde, nódulos

de 2 a 3 cm de diámetro, muy fracturado, poco consistente, muy descompuesto, rellenado por material desagregado, porosa, irregular, rugosa.

10.00 14.00

Lavas piroclásticas, color grisáceo, rellenada por material desagregado, patina color verde, azulado, nódulos de 2 a 3cm de diámetro, medianamente consistente, poco descompuesto, poco fracturado, rugosa.

14.00 15.00

Tufos volcánicos, color grisáceo, presenta nódulos de 2 a 4 cm de

diámetro, muy descompuesta, medianamente fracturada, poco consistente, con ángulos de inclinación de 65º con respecto al eje de perforación, rugoso, rellenado de material desagregado de oxidaciones y limos, rugosa.

15.00 18.40

Tufos volcánicos, color grisáceo, porosa, presenta oxidaciones ferruginosas, medianamente fracturada, medianamente descompuesta, poco consistente, irregular con ángulo de inclinación

de 75º con respecto al eje de la perforación, de textura rugosa, rellenada por material desagregado.

18.40 19.30

Lavas piroclásticas, color grisáceo, rellenada por material desagregado de oxidaciones y limos, medianamente descompuesta, medianamente fracturada, medianamente consistente, rugosa, con oquedades.

19.30 23.60

Lava piroclástica, color grisáceo, presenta oquedades, nódulos de 2 a 3 cm de diámetro, rellenada de material desagregado de limos y

oxidaciones ferruginosas, medianamente consistente, poco descompuesta, poco fracturada, rugosa.

23.60 25.00 Lavas piroclásticas, medianamente fracturada, medianamente descompuesta, poco consistente, presenta oquedades.

25.00 30.50 Lavas piroclásticas, de textura rugosa, poco fracturada, medianamente descompuesta, medianamente consistente, con ángulos de inclinación de 80º con respecto al eje de la perforación.

30.50 32.70

Tufos volcánicos, color grisáceo, muy descompuesta, medianamente fracturada, poco consistente, textura rugosa, presenta patina color verde, rellenado de material desagregado de limo y oxidaciones, con

ángulo de inclinación de 80º con respecto al eje de la perforación.

Page 79: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

70

32.70 34.80 Lava piroclástica, de textura rugosa, roca sana, poco fracturada, medianamente consistente, con oquedades.

34.80 39.00 Tufos volcánicos, color grisáceo, presenta material desagregado de oxidaciones, limo, nódulos de 2 a 4 cm de diámetro, rugoso, poco descompuesto, medianamente fracturada, poco consistente.

39.00 40.00 Tufos volcánicos, presenta nódulos de hasta 4 cm de diámetro, medianamente descompuesta, medianamente fracturada, poco consistente.

3.3.3.3. INDICE RQD (ROCK QUALITY DESIGNATION)

El índice RQD (Rock Quality Designation) desarrollado por Deere entre

1963 y 1967, se define como el porcentaje de recuperación de testigos

de más de 10 cm. de longitud (en su eje) sin tener en cuenta las roturas

frescas del proceso de perforación respecto de la longitud total del

sondeo.

El grado de fracturamiento y alteración que afectan hacen que los

valores de RQD para dichas rocas hayan sido variables, desde una

roca de muy mala calidad a una roca de excelente calidad.

Es decir el RQD está dado por la siguiente fórmula:

Cuadro Nº23: ÍNDICE RQD SONDEO Nº1

DE A RQD %RQD CALIDAD DE ROCA

0.00 0.50 0.50 100 MUY BUENO

0.50 1.00 0.44 88 BUENO

1.00 2.20 0.32 27 POBRE

2.20 3.80 1.52 95 MUY BUENO

3.80 5.00 0.94 78 BUENO

5.00 6.60 0.95 59 REGULAR

6.60 8.10 0.00 0 MUY POBRE

8.10 9.70 0.14 9 MUY POBRE

9.70 10.00 0.00 0 MUY POBRE

10.00 11.30 0.34 26 POBRE

Page 80: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

71

Cuadro Nº24: ÍNDICE RQD SONDEO Nº2

DE A RQD %RQD CALIDAD DE ROCA

0.00 0.80 0.75 94 MUY BUENO

0.80 1.70 0.38 42 POBRE

1.70 2.20 0.41 82 BUENO

2.20 2.50 0.15 50 POBRE

2.50 3.20 0.22 31 POBRE

3.20 4.50 0.35 27 POBRE

4.50 5.20 0.14 20 MUY POBRE

5.20 6.30 0.21 19 MUY POBRE

11.30 11.90 0.00 0 MUY POBRE

11.90 12.30 0.00 0 MUY POBRE

12.30 13.90 0.61 38 POBRE

13.90 14.30 0.00 0 MUY POBRE

14.30 14.70 0.00 0 MUY POBRE

14.70 15.00 0.15 50 POBRE

150 15.35 0.19 54 REGULAR

15.35 15.65 0.12 40 POBRE

15.65 16.05 0.15 38 POBRE

16.05 16.35 0.00 0 MUY POBRE

16.35 16.75 0.00 0 MUY POBRE

16.75 18.35 1.13 71 REGULAR

18.35 19.55 0.61 51 REGULAR

19.55 20.00 0.28 62 REGULAR

20.00 20.80 0.23 29 POBRE

20.80 21.50 0.23 33 POBRE

21.50 21.95 0.19 42 POBRE

21.95 22.15 0.00 0 MUY POBRE

22.15 22.95 0.41 51 REGULAR

22.95 24.50 0.39 25 MUY POBRE

24.50 25.00 0.14 28 POBRE

25.00 26.60 0.48 30 POBRE

26.60 27.20 0.00 0 MUY POBRE

27.20 28.80 0.79 49 POBRE

28.80 30.00 0.43 36 POBRE

30.00 31.40 0.58 41 POBRE

31.40 32.80 0.91 65 REGULAR

32.80 34.40 0.73 46 POBRE

34.40 35.00 0.42 70 REGULAR

35.00 36.40 0.63 45 POBRE

36.40 38.00 1.06 66 REGULAR

38.00 39.6 1.26 79 BUENO

39.60 40.00 0.40 100 BUENO

Page 81: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

72

6.30 7.80 0.12 8 MUY POBRE

7.80 9.40 0.91 57 POBRE

9.40 10.00 0.33 55 POBRE

10.00 11.60 1.37 86 BUENO

11.60 13.20 1.29 81 BUENO

13.20 14.80 1.25 78 BUENO

14.80 16.40 1.56 98 MUY BUENO

16.40 18.00 1.52 95 MUY BUENO

18.00 19.60 1.4 87 BUENO

19.60 21.20 1.46 91 MUY BUENO

21.20 22.80 1.44 90 BUENO

22.80 24.40 1.59 99 MUY BUENO

24.40 25.00 0.56 93 MUY BUENO

25.00 26.45 1.44 99 MUY BUENO

26.45 28.00 1.35 87 BUENO

28.00 29.60 1.56 97 MUY BUENO

29.60 30.00 0.32 80 BUENO

30.00 31.60 1.46 91 MUY BUENO

31.60 33.00 1.15 82 BUENO

33.00 34.40 0.82 59 REGULAR

34.40 36.00 1.41 88 BUENO

36.00 37.60 0.99 62 REGULAR

37.60 39.00 1.32 94 MUY BUENO

39.00 40.00 1.00 100 MUY BUENO

Cuadro Nº25: ÍNDICE RQD SONDEO Nº3

DE A RQD %RQD CALIDAD DE ROCA

0.00 0.90 0.76 84 BUENO

0.90 1.30 0.1 25 MUY POBRE

1.30 2.90 1.08 68 REGULAR

2.90 4.50 1.44 90 BUENO

4.50 5.00 0.36 72 REGULAR

5.00 6.10 0.99 90 BUENO

6.10 7.70 1.17 73 REGULAR

7.70 9.30 0.98 61 REGULAR

9.30 10.00 0.37 53 REGULAR

10.00 11.40 1.31 94 MUY BUENO

11.40 13.00 1.28 80 BUENO

13.00 14.60 0.99 62 REGULAR

14.60 15.00 0.29 72 REGULAR

15.00 16.40 1.38 99 MUY BUENO

16.40 18.00 1.5 94 MUY BUENO

18.00 19.60 0.97 61 REGULAR

19.60 20.00 0.4 100 MUY BUENO

Page 82: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

73

20.00 21.60 1.31 82 BUENO

21.60 23.20 1.28 80 BUENO

23.20 24.80 1.4 87 BUENO

24.80 26.00 1.08 90 BUENO

26.00 27.60 0.80 50 POBRE

27.60 29.20 1.58 99 MUY BUENO

29.20 30.00 0.64 80 BUENO

30.00 31.60 0.83 52 REGULAR

31.60 33.20 1.41 88 BUENO

33.20 34.80 1.54 96 MUY BUENO

34.80 36.00 1.14 95 MUY BUENO

36.00 37.60 1.53 96 MUY BUENO

37.60 39.20 1.49 93 MUY BUENO

39.20 40.00 0.64 80 BUENO

3.3.4. ENSAYOS DE PERMEABILIDAD GEOTÉCNICOS EN SONDAJES

3.3.4.1. ENSAYOS DE LEFRANC

Este ensayo tiene por objeto medir con cierta precisión el coeficiente de

permeabilidad en un punto o tramo definido de depósito inconsolidado

y/o de roca muy fracturada o fragmentada. Consiste en inyectar agua a

gravedad en el tramo de prueba, bajo una sobrecarga hidráulica, para

esto se utiliza una tubería de casing que servirá para aislar el tramo a

ensayar. La medida del gasto y de la sobrecarga hidráulica permite

calcular el coeficiente de permeabilidad.

El ensayo Lefranc Carga Constante exclusivo para suelos gravosos con

finos, consiste en instalar el casing al fondo de la perforación, en el nivel

superior del tramo indicado, luego se procede a perforar el tramo de

ensayo por debajo del casing instalado de manera que se tenga un

horizonte de suelo lo más limpio y aislado posible, luego se deberá

mantener un nivel de agua constante en el pozo, añadiendo en forma

permanente el agua, el gasto se mide con el tubo calibrado del tanque

de abastecimiento.

Page 83: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

74

La duración del ensayo es de 30 minutos luego del tiempo de

saturación que puede ser de 10 minutos, las lecturas se hacen al

minuto y en litros.

3.3.4.2. ENSAYOS DE LUGEÓN

Estos ensayos de agua a presión se han realizado exclusivamente en

rocas, con la finalidad de conocer las características hidrogeológicas de

las mismas para los fines de cimentación de las estructuras hidráulicas,

pantalla de impermeabilización y/o tratamiento de los macizos rocosos

con fines de mejoramiento de las propiedades.

Este ensayo consiste en inyectar agua limpia y sin materiales en

suspensión, en el tramo de prueba (5.00 m) aislado por obturadores

(packers) neumáticos, manteniendo valores de presión establecidos

para cada tramo de prueba (0.25 kg/cm / m de profundidad) con una

duración de 10 minutos por cada estadio (presión inicial, media,

máxima, media y presión inicial).

La unidad Lugeón se considera igual a la absorción de 1 litro de agua

por minuto, por metro de prueba a una presión de 10 kg/cm2. Para el

cálculo del valor Lugeón no se considera la corrección por perdida de

carga por fricción, ya que al utilizarse tuberías de 1” de diámetro, las

pérdidas son despreciables.

Durante la ejecución de las pruebas a presión ocurrieron dificultades en

algunos sondeos para aislar u obturar el tramo de prueba establecido,

debido a la mala calidad de roca por el alto grado de alteración y de

fracturamiento, donde las fracturas abiertas y alteradas facilitaron el

escape de agua por detrás de la tubería hasta la boca del sondeo, en

estos casos la prueba se varió a Lefranc.

Page 84: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

75

Los datos y lectura de los gastos y variación de nivel de estos ensayos

se indican en los registros de pruebas de permeabilidad donde se

muestran, las fórmulas de cálculo: Ver Cuadro y registros de pruebas

de permeabilidad en el anexo correspondiente.

Los valores y secuencia de todos los ensayos se puede ver en el

cuadro siguiente:

Cuadro Nº26: ENSAYOS DE PERMEABILIDAD S-01

PERMEABILIDAD

ROCA OBSERVACION TRAMO (m.)

ENSAYO K (cm/seg)

4.50 – 5.00 Lefranc 3.160 x 10-4

Lava

Piroclásticas Permeabilidad

Elevada

9.50 – 10.00 Lefranc 5.668 x 10-3

Lava

Piroclásticas Permeabilidad

Elevada

14.70 – 15.00 Lefranc 1.369 x 10-3

Tufos

Volcánicos Permeabilidad

Elevada

19.50 – 20.00 Lefranc 2.341 x 10-3

Lava

Piroclásticas Permeabilidad

Elevada

24.60 – 25.00 Lefranc 6.999 x10-3

Lava

Piroclásticas Permeabilidad

Elevada

29.60 – 30.00 Lefranc 4.499 x 10-3

Lava

Piroclásticas

Permeabilidad

Elevada

34.50 – 35.00 Lefranc 5.181 x 10-3

Lava

Piroclásticas Permeabilidad

Elevada

39.50 – 40.00 Lefranc 3.328 x 10-3

Tufos

Volcánicos

Permeabilidad

Elevada

Cuadro Nº27: ENSAYOS DE PERMEABILIDAD S-02

PERMEABILIDAD

ROCA OBSERVACION TRAMO

(m) ENSAYO K (cm/seg)

5.00 – 5.20 Lefranc 2.49 x 10-4

Tufos

Volcánicos Permeabilidad

Elevada

9.50 – 10.00 Lefranc 3.55 x 10-5

Tufos

Volcánicos

VOLCANICO

S

Permeabilidad Media

14.50 – 14.80 Lefranc 1.63 x 10-4

Lava

Piroclásticas Permeabilidad

Elevada

19.50 – 20.00 Lefranc 5.53 x 10-5

Tufos

Volcánicos Permeabilidad

Media

Page 85: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

76

24.50 – 25.00 Lefranc 4.97 x10-5

Tufos

Volcánicos Permeabilidad

Media

25.00 – 30.00 Lugeo

n 2.47 x 10

-5

Tufos Volcánicos

Permeabilidad Media

35.50 – 36.00 Lefranc 8.40 x 10-5

Lava

Piroclásticas Permeabilidad

Media

39.50 – 40.00 Lefranc 3.67 x 10-3

Tufos

Volcánicos Permeabilidad

Elevada

Cuadro Nº28: ENSAYOS DE PERMEABILIDAD S-03

PERMEABILIDAD

ROCA

OBSERVACION

TRAMO (m)

ENSAYO K (cm/seg)

4.50 – 5.00 Lefranc 1.90 x 10-4

Lavas

Piroclásticas Permeabilidad

elevada

9.50 – 10.00 Lefranc 3.56 x 10-4

Tufo

Volcánicos Permeabilidad

elevada

14.50 – 15.00 Lefranc 3.89 x 10-4

Tufo

Volcánicos Permeabilidad

elevada

19.50 – 20.00 Lefranc 4.01 x 10-4

Tufo

Volcánicos Permeabilidad

elevada

24.50 – 25.00 Lefranc 8.02 x10-4

Tufo

Volcánicos Permeabilidad

elevada

25.00 – 30.00 Lugeon 2.00 x 10-5

Tufo

Volcánicos Permeabilidad

elevada

34.80 – 36.00 Lefranc 7.55 x 10-3

Tufo

Volcánicos Permeabilidad

elevada

39.20 – 40.00 Lefranc 2.86 x 10-2

Lava

Piroclásticas Permeable

3.3.5. CAJAS PORTATESTIGOS

Las muestras obtenidas de los sondeos, fueron colocados en cajas de

madera según especificaciones técnicas, con sus respectivas tapas, las

mismas que son pintadas, rotuladas y fotografiadas después de la

descripción y clasificación correspondiente.

Las muestras obtenidas han sido dispuestas en 33 cajas portatestigos.

Page 86: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

77

Cuadro Nº29: DISTRIBUCIÓN DE TESTIGOS S-01

UBICACIÓN Nº CAJAS

PORTATESTIGOS DE (m.)

A (m.)

INTERSECCIÓN

PLINTO Y VERTEDERO

1 0.00 4.00

2 4.00 7.90

3 7.90 11.80

4 11.80 15.35

5 15.35 19.05

6 19.05 22.55

7 22.55 26.15

8 26.15 30.10

9 30.10 33.90

10 33.90 37.80

11 37.80 40.00

Cuadro Nº30: DISTRIBUCIÓN DE TESTIGOS S-02

UBICACIÓN Nº CAJAS

PORTATESTIGOS DE (m.)

A (m.)

PLINTO

1 0.00 3.95

2 3.95 7.95

3 7.95 11.95

4 11.95 15.75

5 15.75 19.45

6 19.45 23.20

7 23.20 27.00

8 27.00 30.90

9 30.90 34.50

10 34.50 38.35

11 38.35 40.00

Cuadro Nº31: DISTRIBUCIÓN DE TESTIGOS S-03

UBICACIÓN Nº CAJAS

PORTATESTIGOS DE (m.)

A (m.)

PLINTO

1 0.00 4.15

2 4.15 7.75

3 7.75 11.60

4 11.60 15.30

5 15.30 19.10

6 19.10 22.90

7 22.90 26.80

8 26.80 30.70

9 30.70 34.45

10 34.45 38.00

11 38.00 40.00

Page 87: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

78

3.3.6. CONCLUSIONES

Desde el punto de vista geológico la zona de trabajo se asienta

sobre suelos de tipo fluvio – aluvial, constituidas por materiales roca

volcánica que describe lavas piroclásticas, tufos volcánicos.

El porcentaje de recuperación de las muestras de perforación por lo

general varía de 88 a 100% lo que indica una recuperación buena a

muy buena.

De acuerdo a la evaluación del RQD de los testigos de roca

podemos indicar lo siguiente:

- En el sondeo 01, la roca presenta una calidad POBRE A MUY

POBRE que varía entre 0% a 50%, a excepción de la superficie

del tramo de 0.00m a 1.00m y a profundidad del tramo 38.00 a

40.00m presenta la roca una calidad de Bueno a Muy Bueno.

- En el sondeo 02, la roca presenta una calidad de BUENA a MUY

BUENA con una variación entre 80 a 100%.

- En el sondeo 03, la roca presenta una calidad de BUENA a MUY

BUENA con una variación de 80 a 100%

Los ensayos de permeabilidad ejecutados en los sondeos dieron los

siguientes resultados:

- En el sondeo S-01, la roca presenta una permeabilidad elevada

(10-4 cm/seg) (10-3cm/seg).

- En el sondeo S-02, la roca presenta una permeabilidad elevada

(10-4 cm/seg) a permeabilidad media (10-5 cm/seg).

- En el sondeo S-03, la roca presenta una permeabilidad elevada

(10-3 cm/seg) a permeable (10-2 cm/seg).

Page 88: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

79

3.4. DESCRIPCION DEL PERFIL ESTRATIGRAFICO DEL SUELO DE

CIMENTACION

3.4.1. SUELO DE CIMENTACION EN EL EJE DE PRESA

En la exploración subterránea realizada en la década de los 60’ por el

Ministerio de Fomento y Obras Públicas se realizaron 02 perforaciones

diamantinas en el cierre de la Presa Iruro; el Sondaje I -1 y el I – 2,

ubicados en el cauce del cañón, el I-2 a 6.0 m del eje y el I-1 a 130.0 m

aguas arriba. Estas perforaciones han tenido como objetivo principal

determinar las condiciones del suelo de cimentación de la Presa Iruro en la

zona de cierre y representan básicamente las condiciones de

impermeabilización antes de cualquier tratamiento.

De la litología de los Sondajes I-1 e I-2 (Realizados en la década de los 60’)

y la que ofrece el afloramiento del estribo izquierdo al final del cañón,

podemos imaginar un plano que pasa por estos tres puntos y se verá que

la litología se corresponde con gran similitud, por las siguientes

observaciones las que servirá para la interpretación final.

a).- La geología de superficie nos indica que en el cañón de Iruro existe

una estratificación de aglomerados y areniscas, como se observa al final

del flanco izquierdo del cañón.

Dicha característica tiene cierta inclinación hacía aguas arriba por lo que se

profundiza más a medida que se va hacía la zona del eje. De acuerdo a

esta situación, el cañón de Iruro está excavado íntegramente en el estrato

superior de aglomerados.

b).- Los sondajes I-1 e I-2, que están en el cauce del cañón, continúan los

aglomerados en profundidades hasta más o menos los 39.0 m en el I-2 y

hasta los 42.0 m en el I-1, donde en ambos sondajes y a dichas

profundidades se encuentran areniscas piroclásticas de igual litología con

promedio de 2.0 m.

Page 89: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

80

c).- Los sondajes I-1 e I-2 confirman las observaciones de la geología de

superficie por las siguientes correlaciones:

El Sondaje I-1, a los 42.0 m y el I-2 a los 39.0 m atraviesan el estrato

superior de aglomerados, observando en los cortes se nota que los

aglomerados varían ligeramente en su estructura más no en su

composición que es de carácter andesítico.

Luego ambos estratos continúan en profundidad, cortando un estrato

de areniscas piroclásticas de potencia aproximada de 2.0 m que

correspondería al observado en la parte final del flanco izquierdo del

cañón, debajo el estrato superior de aglomerados, donde tiene una

potencia de 4.0 m lo que hace suponer que dicho estrato de areniscas

tiende a adelgazar hacía aguas arriba.

Ambos sondajes se continúan luego con un aglomerado que por sus

caracteres estructurales de presentar los fragmentos pequeños se les

ha llamado microbrecha hasta la profundidad de 45.0 m en el I-2 y 48.4

m en el I-1.

A mayor profundidad, ambos sondajes encuentran un estrato de 2.0 m

de una ceniza volcánica litificada poco densa, la misma que no ha sido

observada en superficie, por estar cubierta y debajo de esta existe una

brecha con matriz de ceniza volcánica.

Hasta esta profundidad (En el I-1, 51.0 m y en el I-2, 50.0 m) la litología

en ambos sondajes se corresponden.

El sondaje I-1 se continúa desde los 50.0 m en roca andesítica y el I-2

desde los 50.0 m en areniscas piroclásticos hasta los 53.0 m

(observadas también en el corte del cañón) y luego recién corta a la

roca andesítica que el I-1 tocó a los 51.0 m. Esta no correspondencia

del estrato de areniscas piroclásticas en ambos sondajes puede

deberse a que se trata de un lente cuyo adelgazamiento no permite

ubicarlo en el I-1 o que ha sido cortado por una falla.

Page 90: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

81

El sondaje I-2 se profundiza hasta los 63.0 m en roca volcánica

andesítica y aglomerados fracturados para llegar a las areniscas

verdosas que por sus características litológicas corresponden al estrato

de areniscas observados.

Para estudiar mejor las condiciones geológicas y geotécnicas del eje de la

Presa Iruro adicionalmente a las perforaciones antes mencionadas (I-1 e I-

2) se han ejecutado 03 perforaciones diamantinas (Sondaje I-2, I-3 e I-4)

profundas como investigaciones complementarias realizadas por el

Ministerio de Fomento y Obras Públicas, con las cuales se ha podido

obtener el perfil estratigráfico que se describe a continuación:

De 0 .00 m a 54.00 m:

Aglomerados formado de elementos de vulcanitas andesíticas, tamaños

hasta 6.0 cm, textura afanítica, estructura masiva y vesicular. Matriz

tufácea generalmente color gris y de diferentes grados de dureza. Material

poco fracturado, gran resistencia.

De 54.00 m a 56.00 m:

Vacío o grieta debido probablemente a la fuerte alteración del aglomerado

en zona muy tufácea.

De 56.00 m a 80.00 m:

Aglomerado similar al anterior con mayor dureza pero mejor permeabilidad.

A partir de los 55.0 m se encuentran también en forma intercalada Tufos

líticos blanquecinos de baja densidad, blando sin fracturas y con espesores

no mayor a 3.0 m.

También se intercalan andesitas de textura afanítica, estructura vesicular

fracturada.

Page 91: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

82

Es de importancia hacer notar que en uno de los Sondajes

complementarios (I-4, realizado en la década de los 60’) ubicado en el

estribo izquierdo de la Presa Iruro entre los 54.0 a 56.0 m se había

detectado la presencia de un vacío de cerca de 2.0 m de espesor que deja

en evidencia la presencia de una falla que podría ser una de tantas de un

Sistema que se evidencia en la superficie del terreno y particularmente en

el estribo izquierdo.

La presencia de fallas a lo largo del eje de la Presa Iruro ha sido

posteriormente analizada y evidenciada a través de los Estudios a nivel

Definitivo realizados en la década de los 80’ por el Consorcio OIST-

INTECSA, (PLANO Nº2 – PG – 03 – Anexos)

En dicho Plano se aprecian hasta un total de 16 fallas entre identificadas e

inferidas; siendo de especial importancia la denominada Falla F-6 que se

ubica en el flanco izquierdo del Cañón.

La presencia de este marcado sistema de fallas determina un alto valor de

la permeabilidad secundaria del macizo rocoso de cimentación que

inclusive permite la fuga apreciable del agua almacenada.

Esta condición fue tomada en cuenta en los diseños del caso, por lo cual se

proyectó inyecciones de impermeabilización en la etapa de construcción

con el fin de sellar las fracturas y oquedades existentes.

Según los estudios antecedentes a la etapa de construcción de la Presa

Iruro (Década de los 60’), de 0.00 m a 54.0 m los valores de permeabilidad

se encuentran alrededor de 10-5 cm/s y a continuación de la grieta

encontrada la permeabilidad aumenta a 10-4 cm/s en una Intercalación de

lentes de areniscas color plomiza, con tufos amarillentos, poca fracturada

de baja densidad.

El nivel de agua se ha encontrado desde una profundidad de 35.0 m. hasta

40.0 m de profundidad.

Page 92: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

83

El valor promedio de la permeabilidad del subsuelo de cimentación en el

eje de la Boquilla de salida de la Presa Iruro es igual a 10-5 cm/s.

De acuerdo a los resultados obtenidos en las investigaciones de campo

realizadas en el año 2009 por la empresa NV Building S.A.C.; en términos

promedio el área sobre la cual se emplazará el eje de Presa Iruro y que

compromete las obras del cuerpo de Presa, toma de servicio y aliviadero

de demasías se han de encontrar emplazadas sobre una cobertura de

derrames volcánicos y que cubre a Tufos y Areniscas Tufáceas que son las

rocas de la Formación Madre Sencca.

A continuación de este colchón de derrames volcánicos del tipo

aglomerado se encuentra el basamento rocoso conformado por una

alternancia de Tufos y Areniscas Tufáceas de colores pardos, gris,

verdoso, de alta resistencia a la compresión simple (Mayor a 1,000.0

Kg/cm2) y Tobas brechosas de color pardo de media resistencia a la

compresión simple (Mayor a 250.0 Kg/cm2), desde ligeramente diaclasadas

hasta muy fracturadas y con valores de RMR de 40 a 50 en promedio.

A mayor profundidad y en el eje del río Iruro de acuerdo a los resultados

obtenidos en los Sondeos S-01, S-02 y S-03 la alternancia de Tufos tobas y

lavas piroclásticas es notoria; por debajo de los 5.0 m y el grado de

fracturamiento determina un RQD (Indice de calidad de la Roca) en

promedio no mayor a 30% en el Sondaje S-01 y no mayor a 80% en los

Sondajes S-02 y S-03.

En los sondeos S-02 y S-03 hasta la profundidad investigada (Máximo 40.0

m) se tiene la presencia marcada de lavas piroclásticas con diferente grado

de fracturamiento que van desde un RQD de 60% hasta 100%.

En el sondeo S-01 hasta la profundidad investigada (Máximo 40.0 m) se

tiene la presencia marcada de Tufos y lavas piroclásticas alternadas con

diferente grado de fracturamiento que van desde un RQD de 0% hasta

50%, en promedio.

Page 93: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

84

En los estribos derecho e izquierdo del eje de Presa se evidencia la

presencia de rocas volcánicas ligeramente diaclasada a muy fracturada,

que representa el basamento rocoso de buenas propiedades

geomecánicas por capacidad portante, mas no por condiciones de

impermeabilización.

Por consecuencia; el cuerpo principal de la Presa Iruro y que comprende

prácticamente el cauce principal de la quebrada, se ha de apoyar

directamente sobre una cimentación conformada por una alternancia de

Rocas Volcánicas (Aglomerados y Lavas piroclásticas) y Tufos –Areniscas

Tufáceas, ligeramente diaclasada a muy fracturada y de regulares

características ingenieriles (RMR = 50); asimismo los flancos derecho e

izquierdo del cuerpo de la Presa Iruro, se ha de apoyar directamente sobre

una cimentación conformada por roca volcánica ligeramente diaclasada a

fracturada y de regulares a buenas características ingenieriles (RMR=60).

El apoyo de la cimentación de la Presa se debe realizar directamente sobre

la roca, de tal manera que se debe despalmar la escasa cobertura coluvio-

aluvial y que no es mayor a 0.20 m en toda el área del eje de Presa.

Las filtraciones de agua por debajo de la cimentación de la Presa ocurren a

través de las diaclasas, grietas y fracturas que se encuentran conformando

la estructura muy fragmentada del macizo rocoso (Permeabilidad

secundaria a través de las diaclasas de los macizos rocosos de

cimentación) y también entre el contacto Tufo-Aglomerado y/o viceversa ya

que es predominante a partir de 5.0 m con respecto al fondo del río Iruro; lo

que puede originar filtraciones de agua a través de la cimentación con

cargas importantes de agua si es que no se toman las medidas del caso;

tales como shotcreteado de la superficie de la roca, inyecciones de

impermeabilización en la cimentación y/o el uso de un dentellón

impermeable.

De una evaluación integral a todas las investigaciones de campo realizadas

desde la década de los 60’ hasta la última del año 2009, se desprende que

Page 94: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

85

la principal restricción que tiene el afloramiento masivo de rocas volcánicas

en el subsuelo de cimentación es el marcado fracturamiento y presencia de

fallas que determinan un alto valor de la permeabilidad secundaria y la

posibilidad de fugas de agua cuando el almacenamiento de la Presa Iruro

se encuentre en su máximo nivel.

Las 05 “calicatas” excavadas en el área de embalse y las 03 “estaciones

geomecánicas” en los puntos de Sondeo (S-01, S-02 y S-03), utilizadas en

el área del eje de la Presa Iruro permiten determinar la siguiente

configuración estratigráfica promedio desfavorable:

a).- En el cuerpo principal de la Presa:

De 0.00 a 0.10 m: Cobertura conformada por material gravo-arcillo-limoso

con gran contenido de materia orgánica y saturada. De origen coluvio-

aluvial en estado normalmente consolidado y de alta compresibilidad.

De 0.10 m hasta 40.0 m: Alternancia de aglomerados y lavas piroclásticas

con Tufos y Areniscas Tufáceas con espesores variables desde 1.0 m a 3.0

m, desde poco fracturado a fragmentado que constituye el basamento

rocoso del área. Las rocas tufáceas presentan posición sub-horizontal a

ligeramente inclinada, con un suave buzamiento de 30º SW en promedio,

desfavorable a la estanqueidad del agua ya que presenta diaclasas y

algunas fisuras por las cuales puede presentarse filtraciones de agua por

permeabilidad secundaria y que deben tomarse en cuenta en el diseño de

la Presa. Las aperturas no exceden los 5.0 mm y generalmente se

encuentran rellenas de arcilla. El macizo rocoso de cimentación tiene un

valor promedio del RMR igual a 50 y una permeabilidad no menor a 10 -5

cm/s, que determina que se trata de una cimentación de buena

permeabilidad y por donde los procesos de filtración de agua pueden ser

moderados a altos con cargas de agua importantes como es el caso en la

Presa Iruro.

Page 95: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

86

b).- En los flancos derecho e izquierdo del cuerpo principal de la

Presa

De 0.00 a 1.00 m: Cobertura conformada por material limo-areno-arcilloso

con gran contenido de materia orgánica y saturada (SM y SC). De origen

coluvio-aluvial en estado normalmente consolidado y de alta a media

compresibilidad.

De 1.0 a 20.00 m: Rocas producidas por derrames volcánicos intercalados

con Tufos y Areniscas Tufáceas de color gris claro, de buena resistencia a

la compresión simple y que se encuentra desde fracturada a muy

fracturada y que constituye el basamento rocoso del área. Las rocas

volcánicas presentan posición sub-horizontal a ligeramente inclinada, con

un suave buzamiento de 30º SW en promedio, desfavorable a la

estanqueidad del agua ya que presenta diaclasas y algunas fisuras por las

cuales puede presentarse filtraciones de agua por permeabilidad

secundaria y que deben tomarse en cuenta en el diseño de la Presa. Las

aperturas no exceden los 5.0 mm y generalmente se encuentran rellenas

de arcilla. El macizo rocoso de tiene un valor promedio del RMR igual a 60

y una permeabilidad no menor a 10-5 cm/s, que determina que se trata de

una cimentación de buena permeabilidad y por donde los procesos de

filtración de agua pueden ser moderados a altos con cargas de agua

importantes como es el caso en la Presa Iruro.

De lo anteriormente descrito se confirma que la geología del subsuelo en la

zona de cimentación de la Presa de Iruro, existe una secuencia

estratificada de aglomerados volcánicos y areniscas.

Esta clasificación general de aglomerados se ha hecho por las

observaciones de campo, pero los sondajes lo demuestran (I-1 hasta 42.0

m e I-2 hasta 35.0 m realizados en la década de los 60´y S-02 y S-03

realizados en el 2009).

Page 96: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

87

Con este nombre genérico de aglomerados se engloba a rocas que tienen

casi igual composición, dureza y densidad (andesítica) pero diferente

textura y estructura, pero que el conjunto forma el estrato superior de

aglomerados, inmediatamente debajo de estos se encuentra el estrato de

areniscas piroclásticas que tiene más o menos 2.0 m de potencia, luego se

continúa los aglomerados que correspondería a otro estrato y presenta los

caracteres que el estrato superior hasta la profundidad de 63.0 m en el I-2,

profundizando la perforación se continuará en estas areniscas, luego

estratos de aglomerados, areniscas iguales a la anterior y por último la

zona volcánica silicificada que se encuentra en el cauce del río Iruro al final

del cañón que la llamaron como roca de base de la estratificación de del

vaso y boquilla de Iruro.

Existe fracturamiento en las rocas atravesadas por los Sondajes como es

de suponer, pero este es moderado, observándose más en las partes

profundas de los sondajes. Este escaso fracturamiento en subsuelo se

comprueba en superficie donde las diaclasas son escasas y más bien la

roca aglomerádica se presenta masiva y muy compacta. La recuperación

de los testigos es en general del 100% en toda la longitud de los sondajes.

En los sondajes no se han obtenido afloramientos de aguas subterráneas.

La mayor permeabilidad se ha experimentado en las partes más profundas

de los sondajes y esto correspondería directamente a fracturamientos. Así

tenemos que en el sondaje I-1 en el tramo de 50.0 m a 53.0 m se tiene la

mayor permeabilidad de 10-3 cm/s que correspondía al fracturamiento de la

roca. En el sondaje I-2, la mayor permeabilidad se experimentó a los 51.0

m con un valor de 10-3 cm/s, también frente a fracturamientos. Lo que

demuestra que la permeabilidad está dada principalmente por

fracturamientos, la permeabilidad por porosidad es prácticamente nula.

Esta situación determina que por debajo de los 50.0 m el aglomerado

volcánico tiene una mayor cantidad de fracturas, diaclasas, grietas e

inclusive fallas, que determinan un alto valor de la permeabilidad en esta

Page 97: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

88

zona y la posibilidad de fugas de agua por canales importantes de

filtración.

3.4.2. DETERMINACIÓN DE PERFILES GEOLÓGICOS DE ACUERDO A LOS

ESTUDIOS REALIZADOS

De los estudios realizados en los años 60’ y el año 2009, se discriminan los

pozos que tienen información necesaria para el presente estudio es decir:

De los estudios realizados en los años 60’ se tiene los siguientes pozos:

I – 1, I - 2, I – 3, I – 4. (Plano Nº4 – PUI – 01 – Anexos)

De los estudios realizados en el año 2009, S – 1, S – 2, S – 3. (Plano Nº4 –

PUI – 01 – Anexos)

Figura Nº20: DISTRIBUCIÓN DE LOS PUNTOS DE PERFORACIÓN

Page 98: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

89

De los pozos de perforación realizados en las diferentes etapas de estudio

y construcción de la Presa Iruro, se ha propuesto 03 líneas para el análisis

de infiltración, agrupados de la siguiente manera: (Plano Nº5 – LEP – 01 –

Anexos)

Línea de estudio Nº1: Pozos: I – 3, S – 3, S – 2, S – 1.

Línea de estudio Nº2: Pozos: I – 4, S – 2, I – 1.

Línea de estudio Nº3: Pozos: I – 2, I – 1.

Figura Nº21: LÍNEAS DE ESTUDIO PROPUESTOS PARA EL ANÁLISIS DE INFILTRACIÓN

Page 99: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

90

Page 100: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

91

De los pozos de perforación realizados, se tiene el registro de perforación, en los cuales se especifica las

características encontradas en la cimentación, resaltándose la permeabilidad obtenida de las pruebas realizas insitu

(Lugeon y Lefranc) (Registro de Perforación – Anexos).

Con los valores de permeabilidad encontrados en los registros y las líneas de estudio propuestas, se ha determinado

perfiles estratigráficos promedio, con los cuales se plantea determinar el cálculo numérico de infiltración a través de la

cimentación de la Presa Iruro, estos se muestran en las siguientes figuras: Figura Nº22, Figura Nº23, Figura Nº24.

(Plano Nº 5 – LEP – 01 – Anexos).

Figura Nº22: PERFIL GEOLÓGICO DE LA LÍNEA DE ESTUDIO Nº 1

Page 101: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

92

3.4.3. DETERMINACIÓN DEL PERFIL GEOLÓGICO CRÍTICO PARA EL

ANALISIS NUMÉRICO

Para determinar el Perfil Estratigráfico que represente con mayor

aproximación a las condiciones geológicas de la cimentación de la Presa

Iruro, se determinó algunas características fundamentales:

Figura Nº23: PERFIL GEOLÓGICO DE LA LÍNEA DE ESTUDIO Nº2

Figura Nº24: PERFIL GEOLÓGICO DE LA LÍNEA DE ESTUDIO Nº3

Page 102: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

93

Este Perfil Geológico, debe resultar de los valores de permeabilidad

promedio proyectados de los pozos de perforación.

Este Perfil Geológico, debe estar ubicado en la zona más baja de la

Presa Iruro, es decir en la zona donde se tenga mayor carga hidráulica

(44 m de columna de agua aprox.), representando así el Perfil Geológico

crítico.

Se debe de tener en cuenta que la información necesaria del Perfil

Geológico debe tener una profundidad promedio de 1.5 veces la altura

de carga hidráulica, y mínimo 1.0 veces la altura de carga hidráulica.

Con las consideraciones mencionadas, se ha determinado que la Línea del

Perfil Geológico Nº3, cumple con las características planteadas, y donde

además se tiene las siguientes características:

Los valores promedio de permeabilidad de los pozos de perforación

próximos se han proyectado a la Línea de Perfil Geológico Nº3.

Se tiene 2 pozos de perforación:

El primero de 57.0 m, de profundidad. I - 1

El segundo de 60.0 m de profundidad. I – 2

De ambos se obtiene una profundidad promedio de 58.50 m, de donde:

PrPr

arg

58.50Pr 1.33

44.0

sup 1 arg

ofundidad de Perforaciónofundidad

Altura de c a Hidráulica

mofundidad

m

Valor que erior a vez la c a hidráulica

La Línea de Perfil Geológico Nº3, se encuentra en la parte más baja de

la Presa Iruro, llegando a pasar por el cuerpo de la Presa.

Page 103: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

94

Con las condiciones antes mencionadas el Perfil Geológico Nº3, que

representa el Perfil Geológico Critico y que está determinado de la

siguiente manera. (Plano Nº7 – PN – 01 – Anexos).

Para el cálculo análisis e interpretación numérica bidimensional del cálculo

de infiltración en el área de emplazamiento de la Presa Iruro, se ha

realizado algunas consideraciones especiales tales como:

Los valores de permeabilidad de cada uno de los estratos de la

cimentación son los valores promedios proyectados en cada una de las

perforaciones de las líneas de estudio planteadas.

Se ha linealizado la distribución de los estratos de la cimentación, para

realizar el cálculo numérico simplificado.

Se ha realizado la proyección de los estratos longitudinalmente para

tener la longitud total del emplazamiento de la Presa Iruro.

Con las consideraciones planteadas se tiene la siguiente figura: (Plano Nº7

– PN – 01 – Anexos).

Figura Nº25: PERFIL GEOLÓGICO CRÍTICO

Page 104: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

95

Figura Nº26: PERFIL GEOLÓGICO CRÍTICO ESTRATIFICADO PARA LA SOLUCIÓN NUMÉRICA

Page 105: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

96

Figura Nº27: PERFIL GEOLÓGICO CRÍTICO DISCRETIZACIÓN PARA LA SOLUCIÓN NUMÉRICA

Page 106: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

97

Para el cálculo de la solución numérica del problema de infiltración además

de considerar los estratos, se ha considerado el dentellón de

impermeabilización construido, así también la pantalla impermeabilizante

proyectada de la Presa; y se ha realizado la discretización de los estratos

como se muestra en la Figura Nº27.

Page 107: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

98

CAPÍTULO IV – ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN NUMÉRICA BIDIMENSIONAL

DEL CÁLCULO DE INFILTRACIÓN

4.1. INTRODUCCIÓN

Existen dos tipos de análisis para infiltración, esto es para flujo permanente

o estacionario y flujo no permanente o transitorio.

El modelo de flujo permanente describe un estado donde no se producen

cambios. En un análisis de infiltración el “estado” significa presión del agua

y caudal, si ambas alcanzan un valor estable, esto significa que estarán en

ese estado para siempre; en muchos casos donde el problema geotécnico

está expuesto a condiciones cíclicas, es posible que jamás se llegue a la

situación estable. Si la hipótesis contempla condiciones de borde

constantes en el tiempo, entonces la respuesta es aquella que se

corresponde con un tiempo lo suficientemente extenso como para obtener

el estado estacionario. En este tipo de análisis no se considera cuánto

tiempo se necesita para alcanzar la condición estable, solamente se

predice cómo se presentará la superficie para un conjunto de condiciones

de borde que no se modificarán en el espacio ni en el tiempo. Como el

análisis de flujo permanente no considera la componente tiempo, las

ecuaciones que lo gobiernan se simplifican; en el análisis permanente las

ecuaciones sacan la variable tiempo y omiten la función de contenido

volumétrico de agua. Esto no resulta necesario para la solución, el

contenido volumétrico de agua es usado para computar las pérdidas o

ganancias en el suelo si hay un cambio en las presiones. En un estado

permanente no hay cambios en las presiones.

Un análisis no permanente por definición significa que hay cambios,

ejemplos de este tipo de análisis es predecir el tiempo que tarda una presa

en humedecerse cuando se llena en forma rápida. En un análisis no

permanente se deben conocer las condiciones iniciales y las funciones que

Page 108: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

99

describen el cambio de las mismas. Por ejemplo en la presa, se deberá

conocer la función de llenado y vaciado de la misma en el tiempo. Por otro

lado también deberán conocerse las funciones hidráulicas del suelo para

determinar en distintos tiempos el estado de infiltración en el mismo. Se

parte siempre de una condición inicial para poder conocer los estados

intermedios en el tiempo y el estado final de la modelación. En muchos

casos, el estado inicial se establece como la condición permanente.

Para el análisis e interpretación numérica bidimensional de la infiltración

sobre la cimentación de la Presa Iruro, haremos uso de los métodos

numéricos, luego comprobaremos la solución a través del software SLIDE

V.6.0, realizando un análisis matemático del algoritmo empleado por el

software y entender sus bondades.

4.2. CONCEPTOS TEÓRICOS FUNDAMENTALES

4.2.1. LEY DE DARCY

El flujo de agua en un medio poroso cumple la ley de Bernoulli modificada:

2 2

1 1 2 21 2

2. 2.W W

P V P VY Y H

g g ………… (1)

Dónde:

g: aceleración de la gravedad

p1, p2: presiones en dos secciones, 1 y 2, a lo largo de cierta trayectoria de

flujo

y1, y2: elevaciones medias de las secciones 1 y 2 con respecto a un plano

horizontal arbitrario

2 2

1 2,V V : Velocidades de flujo1 en las secciones 1 y 2.

1 Velocidad de flujo V es la velocidad media con que fluye el agua a través de los poros del suelo en dirección de la

corriente: esto es

V

qV

A , siendo q el gasto y VA el área de vacíos en la sección recta del tubo de flujo. Debe

Page 109: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

100

w: peso volumétrico del agua.

∆h: pérdida de carga hidráulica entre las secciones 1 y 2 debida a la

viscosidad del agua.

Figura Nº28: LEY DE BERNOULLI MODIFICADA PARA EL FLUJO DE AGUA EN SUELOS

La suma de los tres primeros términos en cada miembro de la ecuación

anterior se llama carga hidráulica total, h. Los términos individuales se

llaman, respectivamente, carga de presión, carga de posición y carga de

velocidad.

Como característica general de flujo de agua en suelos, la carga de

velocidad 2

2.

V

g es despreciable (V raramente es de orden mayor de 0.1

m/seg, por lo que 2

2.

V

g es en general menor de 0.0005m) y por lo tanto.

1 21 2

W W

P PY Y H

……… (2)

La pérdida de carga H entre dos secciones cualesquiera en un tubo de

flujo Fig. Nº 28, puede obtenerse por integración de la ecuación diferencial.

distinguirse de la velocidad de descarga o velocidad de Darcy, d

qV

A , en que A es el área total de la sección recta

del tubo de flujo. Siendo “n” la porosidad eficaz del suelo, la relación entre ambas velocidades es *dV n V

Page 110: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

101

*d

dhV K K i

ds ……….. (3)

Que representa una relación empírica, conocida como ley de Darcy, entre

la velocidad de descarga o de Darcy dV (m/s), el coeficiente de

permeabilidad K (m/s) y el gradiente hidráulico dh

ids

(adimensional).

Vd tiene el significado de un caudal específico o caudal por unidad de área

total del medio poroso, incluyendo sólidos y huecos.

El valor de K depende de las características del material y de las

características del líquido infiltrado. Definidas estas características, su valor

es constante, estableciendo una relación lineal entre el caudal específico (q

= Vd) y el gradiente hidráulico.

El gradiente hidráulico (i) representa la pérdida unitaria de energía del agua

en el medio poroso que tiene un valor distinto que la pérdida unitaria de

energía a través de los canalículos que definen los huecos del medio, ya

que el recorrido sinuoso de una partícula de agua tiene una longitud mayor

que la altura de la columna de arena.

La Ley de Darcy permite estimar el caudal infiltrado a través de un medio

poroso cuando se dispone de una cierta cantidad de energía o carga

hidráulica y define el ritmo al que aumenta la pérdida unitaria de energía a

través de dicho medio. Es frecuente denominar a este tipo de fórmulas

como fórmulas de resistencia, puesto que permiten evaluar la mayor o

menor resistencia del medio poroso al paso del agua.

4.2.2. INTERVALO DE VALIDEZ DE LA LEY DE DARCY

En general, las investigaciones realizadas acerca del movimiento del agua

en medios porosos se asientan sobre conceptos y procedimientos similares

a los desarrollados al estudiar el movimiento en tuberías o canales. La

Page 111: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

102

fórmula de pérdida de energía de Darcy-Weisbach, desarrollada para

tuberías y adaptada posteriormente para canales, tiene la siguiente

expresión:

2

.2.

df Vi

D g …………(4)

Siendo:

i: Pérdida de carga por unidad de longitud de tubería.

f: Coeficiente de rozamiento de Darcy – Weisbach

D: Diámetro de la tubería

V: Velocidad media en la sección

g: Aceleración de la gravedad

El coeficiente de rozamiento de Darcy-Weisbach es función del número de

Reynolds y de la rugosidad relativa del conducto. El número de Reynolds

es un número adimensional que caracteriza la importancia relativa de las

fuerzas viscosas e inerciales en el movimiento y que tiene una expresión

general:

.

e

V lR

……… (5)

Siendo:

V: Velocidad media en la sección

l: Longitud característica (diámetro de la tubería)

ʋ: viscosidad cinemática del fluido.

Números de Reynolds bajos indican un predominio de las fuerzas viscosas

y el movimiento es laminar. Cuando predominan las fuerzas inerciales en

un conducto rectilíneo, el movimiento es turbulento y el número de

Reynolds tiene un valor elevado.

Page 112: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

103

Si conocemos el número de Reynolds del movimiento y la rugosidad

relativa de la tubería, podemos obtener el coeficiente de rozamiento “f”

mediante el conocido ábaco de Moody o bien mediante fórmulas como la

de Colebrook. En cualquier caso, puede observarse que:

Cuando el movimiento es laminar, lo que sucede para Re < 2,000

aproximadamente, el coeficiente de rozamiento “f” solo depende de Re:

64e

ctef siendo cte

R ….. (6)

Cuando el movimiento es turbulento totalmente desarrollado, “f” solo

depende de la rugosidad relativa, siendo independiente de Re. Para un

material y diámetro de tubería definido es:

f cte …... (7)

Para valores intermedios del Re, el movimiento se denomina de

transición y el valor de “f” depende tanto del número de Reynolds como

de la rugosidad relativa.

Para establecer la dependencia entre el gradiente de energía y la

velocidad, basta sustituir la expresión de “f” de (6) (movimiento laminar) o

(7) (movimiento turbulento) en la ecuación de Darcy-Weisbach. (4).

Si el movimiento es laminar:

2 2

2

.

2 2 2.

f V cte V ctei V

VDD g g gDD

….. (8)

Por lo tanto el gradiente de energía es proporcional a la velocidad.

Si el movimiento es turbulento totalmente desarrollado:

2

2

2 2

f V ctei V

D g gD … (9)

Page 113: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

104

Por lo tanto el gradiente es proporcional al cuadrado de la velocidad.

Cuando el movimiento es de transición (rango de números de Reynolds,

entre 2,000 y 3,500 aproximadamente), “f” no puede expresarse de forma

explícita en función de Re y de la rugosidad relativa, pero constituye una

situación físicamente intermedia entre los dos casos anteriores.

Ahora partiendo de la fórmula de pérdida de carga de Fanning, en vez de la

de Darcy-Weisbach, que es:

2

2

f

h

f Vi

r g … (10)

Donde “ff”, es el coeficiente de rozamiento de Fanning. Si comparamos esta

fórmula con la de Darcy-Weisbach, observamos la total analogía,

existiendo la siguiente relación entre ambos coeficientes de rozamiento:

4.d ff f …. (11)

4.2.3. COEFICIENTE DE RESISTENCIA DE UN MEDIO POROSO

Diversos investigadores han deducido sobre bases empíricas que la forma

de la ecuación que relaciona el gradiente hidráulico de infiltración en un

medio poroso es del tipo:

2. .d di aV bV ….. (12)

La ley de tipo exponencial 2. di cV tiene carácter empírico y supone una

aproximación a la ley cuadrática teórica.

Por semejanza con el movimiento en tuberías, la ecuación (12) puede

ponerse en la forma de la fórmula de pérdida de carga de Darcy-Weisbach

(8) o (9), planteándose nuevamente la necesidad de utilizar una definición

de velocidad en el medio poroso y de radio hidráulico del medio poroso.

Resultan aplicables todas las consideraciones realizadas con anterioridad.

Page 114: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

105

En cualquier caso, el coeficiente de resistencia “f” dependerá del número

de Reynolds del medio poroso y de algún otro parámetro que juegue un

papel semejante al desempeñado por la rugosidad relativa en tuberías.

La expresión de “f”, coeficiente de resistencia del medio poroso, resulta

variable de unos investigadores a otros en función de:

1° Concepto de velocidad del medio poroso utilizado.

2° Longitud característica utilizada para definir el número de Reynolds del

medio poroso.

3° Tipo de fórmula de pérdida de energía utilizada, de Darcy-Weisbach, de

Fanning o semejante.

En cualquier caso, la condición de linealidad en la relación entre gradiente

hidráulico y la velocidad de filtración viene dada por una relación entre f y

Re del tipo:

e

ctef

R

Si representamos en escala logarítmica Re en abscisas y f en ordenadas,

con es habitual, los puntos que cumplen la relación anterior determinan una

línea recta.

Muchos investigadores han intentado establecer el campo de validez de la

ley de Darcy y explicar la naturaleza del movimiento del agua en un medio

poroso así como, en algunos casos, determinar la ley de pérdida de

energía para valores elevados del número de Reynolds.

Así tenemos las principales investigaciones de:

Investigaciones de Stephenson

Investigaciones de Solvil

Investigaciones de Ward

Page 115: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

106

Investigaciones de Wright

Investigaciones de Martins

Así también las fórmulas de resistencia resultado de las investigaciones

fueron agrupadas por Bear en tres grupos:

a) Fórmulas en las que los coeficientes no se expresan en función de

las propiedades del medio. Formulas empíricas

b) Fórmulas en las que los coeficientes se expresan en función de las

propiedades del medio. Formulas racionales, deducidas a partir de

las ecuaciones de Navier – Stokes mediante la aceptación de ciertas

hipótesis o bien empíricas

b.1. Con alguna constante indeterminada.

b.2. Con todas las constantes determinadas.

Parece claro que las fuerzas inerciales son la causa de la no linealidad en

la relación gradiente de energía-velocidad de filtración.

Según una primera explicación éstas aparecían con la turbulencia, pero

entonces queda sin explicar la no linealidad en un rango de números de

Reynolds para el que la turbulencia todavía no ha comenzado, (etapa de

transición).

Según una segunda explicación, que concuerda con los resultados

obtenidos experimentalmente y con deducciones realizadas sobre bases

racionales a partir de las ecuaciones de Navier-Stokes, las fuerzas de

inercia están siempre presentes, pero su influencia sobre el movimiento

crece gradualmente al aumentar el número de Reynolds.

La presencia de las fuerzas inerciales, aun para valores reducidos de Re,

se debe a la curvatura y divergencia del movimiento a través de los

canalículos formados por los huecos que dejan las partículas sólidas entre

sí.

Page 116: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

107

La mayoría de los experimentos indican que la turbulencia comienza a

producirse para valores de Re al menos un orden de magnitud más

elevada que aquellos para los que la relación gradiente de energía-

velocidad de filtración empieza a ser claramente no lineal. También existe

acuerdo en cuanto a la suavidad del cambio de movimiento laminar a

movimiento turbulento.

Los límites entre los movimientos laminar, de transición y turbulento son,

por tanto, imprecisos, y su definición por cada autor depende del concepto

de velocidad utilizado y de la longitud característica considerada al definir el

número de Reynolds del medio poroso.

4.2.4. FÓRMULAS DE RESISTENCIA

Bear señala a Forchheimer como el investigador que sugirió por primera

vez en 1901 una formulación de tipo no lineal entre el gradiente de energía

y la velocidad de filtración. La fórmula era de tipo parabólico:

2. .d di aV bV : a y b: constantes

Algunos investigadores se refieren a este tipo de fórmula de resistencia

como ecuación de Forchheimer.

No obstante, según Jaeger (1956), parece que el interés por el movimiento

no lineal es anterior, y viene de Prony (1804), anterior incluso a Darcy,

quien consideró una ley de tipo exponencial.

. m

di cV : c, m: constantes

Parkin se refiere a esta fórmula como la ecuación de pérdida de energía de

Prony.

Ambas tienen un origen empírico, si bien la fórmula cuadrática ha sido con

posterioridad deducida teóricamente en determinadas condiciones del

Page 117: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

108

movimiento (Ergun y Orning, Irmay, Stark y Volker), generalmente

partiendo de las ecuaciones de Navier-Stokes utilizando valores promedio

en el medio poroso. Otros investigadores han defendido la relación

parabólica basándose en resultados experimentales. (Lindguist, Ward,

Morcom).

La fórmula exponencial tiene un carácter netamente empírico y puede

considerarse una aproximación de la ley teórica.

Si la determinación de las constante "c" y "m" de la fórmula exponencial o

"a" y "b" de la fórmula cuadrática se realiza mediante ensayos, sometiendo

una muestra del material a diversos gradientes de energía y midiendo el

caudal especifico o velocidad de filtración, entonces ambas fórmulas

resultan igualmente adecuadas a efectos prácticos.

George y Hansen han obtenido unas fórmulas de conversión entre ambas

leyes obtenidas mediante un ajuste por el método de los mínimos

cuadrados.

Conversión de 2. . .m

d d di cV a i aV bV

1 2

,max ,max12. . 2 20. . 1

2 3 2 3

m m

d dc V m c V ma b

m m m m

Siendo i = 0 para Vd = 0 y Vd,max., el valor máximo de la velocidad de

filtración en el intervalo considerado.

Conversión de 2. . . m

d d di aV bV a i cV

,max ,max,max

1

,max ,max ,max

5 4 . 4 3 .5 6 .

5 3 . 4 5 3 .

d dd

m

d d d

a bV a bVa bVm c

a bV a bV V

De todas las investigaciones revisadas se ha visto, para valores de Re

bajos, sin entrar en la definición elegida para este número adimensional, el

Page 118: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

109

gradiente de energía es proporcional a la velocidad de filtración (ley de

Darcy): 1. di C V

Para valores elevados de Re, el gradiente es proporcional al cuadrado de

la velocidad. 2

2. di C V

Por tanto, en la formula exponencial: . m

di CV

El valor de los coeficientes C y m varía con Re, encontrándose “m” en

general entre los valores 1 y 2.

En la formula cuadrática: 2. .d di aV bV

Para que se cumplan las proporcionalidades antes expresadas, tendrá que

suceder que el primer sumando sea despreciable frente al segundo, para

valores de Re elevados y cuando Re sea bajo tendrá que resultar

despreciable el segundo sumando en relación con el primero.

Se deduce que las constantes de la fórmula de resistencia, del tipo que

sea, dependen estrechamente del número de Reynolds, y a través del

mismo de la porosidad y de una longitud característica.

La longitud característica introduce de una forma directa o indirecta el

efecto del tamaño del grano o poro y de la superficie específica.

4.2.5. APRECIACIÓN INGENIERIL

…”Para casi la totalidad de los movimientos del agua subterránea, Re < 1;

por tanto la ley de Darcy es aplicable. Las desviaciones de esta ley se

encuentran en rocas y acuíferos no consolidados, con un elevado gradiente

Page 119: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

110

hidráulico, y en aquellos que contienen disoluciones cuyo tamaño de las

partículas disueltas son grandes…”2

…”Hay una frontera superior y una frontera de la velocidad V, que limitan el

intervalo de validez de la Ley de Darcy (Barron, 1948); sin embargo, puede

considerarse que la mayoría de los problemas de ingeniería civil, entre

ellos los de presas (cimentaciones), la velocidad de descarga cae en dicho

intervalo….”3

…”Las gravas, zahorras y escolleras utilizadas en los espaldones de las

presas de materiales sueltos, que de forma genérica se denominan presas

de escollera, tienen generalmente un tamaño suficiente como para que la

ley de Darcy no sea aplicable.

Por eso, para estudiar el movimiento del agua a través del cuerpo de la

presa es preciso cubrir dos objetivos:

1° Delimitar el campo de validez de la ley de Darcy.

2° Definir una "fórmula de resistencia" no lineal que sea válida fuera del

campo de aplicación de la ley de Darcy…”4

Entonces de acuerdo al interés del presente estudio, podemos afirmar que

en la cimentación de la Presa Iruro, se cumple la ley de Darcy.

*dV K i

4.2.6. EL COEFICIENTE DE CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA “K”

La constante de proporcionalidad K se denomina coeficiente de

conductividad hidráulica tiene unidades [L/T] y puede interpretarse

2 Divid Keith Todd, ph D - Hidrología (Aguas Subterraneas)-1980

3 Raul J. Marsal y Daniel Resendiz Nuñes – Presas de Tierra y Enrrocamiento - 1975

4 Miguel Angel Toledo Municio – Tesis Doctoral - PRESAS DE ESCOLLERA SOMETIDAS A SOBREVERTIDO. ESTUDIO DEL MOVIMIENTO

DEL AGUA A TRAVÉS DE LA ESCOLLERA Y DE LA ESTABILIDAD FRENTE AL DESLIZAMIENTO EN MASA - 1997

Page 120: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

111

físicamente como la velocidad de descarga correspondiente a un gradiente

hidráulico unitario.

En un medio estratificado, con frecuencia se produce el flujo a través de

varias capas, y deseamos aplicar la ley de Darcy globalmente al conjunto

de capas. Los dos casos más sencillos son cuando consideramos el flujo

paralelo a los contactos entre las capas o el flujo perpendicular a las capas.

Permeabilidad (o conductividad hidráulica) equivalente es un valor

promedio que podemos asignar al conjunto de capas considerando como

una unidad. Y hablaremos de K equivalente horizontal hK o

K equivalente vertical vK refiriéndose respectivamente a los casos

citados (suponiendo las capas horizontales, el flujo paralelo a las capas es

horizontal, y el flujo perpendicular a las capas es vertical).

Si el flujo es paralelo a las capas, la permeabilidad equivalente hK se

tiene:

Figura Nº29: DISPOSICIÓN DE SUPERFICIE PARA CALCULO DE PERMEABILIDAD hK y vK

Q es el caudal que pasa por la sección de anchura unidad y altura el

espesor de las capas.

1 1 1. .1 .h

Q K bl

Page 121: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

112

El caudal total será la suma del que circula a través de todas las capas

consideradas:

. .i ii

hQ Q K b

l

Las permeabilidades del suelo son sin duda anisotrópicas, con hK , el

coeficiente de permeabilidad horizontal, varias veces más grande que

vK , coeficiente de permeabilidad vertical. En rellenos compactados la

relación, puede exceder de 20.

El coeficiente de permeabilidad horizontal se determina con más

confiabilidad de los resultados in situ, es decir, mediante ensayos de

bombeo de campo en agujeros o pozos de sondeo. Así mismo, existen

técnicas de laboratorio, pero la reproductibilidad de los resultados es pobre,

debiéndose considerar más como un indicativo de órdenes relativos de la

magnitud de la permeabilidad que de valores absolutos.

Según la bibliografía tenemos que los intervalos aproximados de K para

diversos suelos:

Cuadro Nº32: INTERVALO APROXIMADO DE, K

Así también tenemos las características según el intervalo de K

Page 122: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

113

Cuadro Nº33: VALORES DE K EN CM/SEG

4.3. ECUACIONES DEL FLUJO EN MEDIOS POROSOS

La ecuación de flujo en medios porosos no saturados o ecuación de

Richards (1931) plantea la relación entre la humedad, la conductividad

hidráulica y la succión en un medio poroso no saturado para distintos

tiempos. El movimiento del agua que se produce a través de los poros del

material o de las fracturas que se encuentran en el mismo se puede

expresar a través de la ley de Darcy (1856). Ésta se puede extender a

medios no saturados, en una dimensión, considerando que la

conductividad K , es la conductividad hidráulica en función de la

humedad del suelo .

Richards planteó la relación entre la humedad, la conductividad hidráulica y

la succión en un medio poroso no saturado en función del tiempo. Esta

ecuación tiene la característica de ser altamente no lineal debido a la

dependencia que tiene la humedad y la conductividad hidráulica con la

succión (Paniconi, 1991). Además, necesita para su solución de la

Page 123: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

114

definición de las funciones hidráulicas del suelo. Para definir las funciones

hidráulicas de los suelos (curvas de humedad en función de la succión y

conductividad hidráulica en función de la succión) es necesario determinar

las propiedades hidráulicas del suelo a través de mediciones de laboratorio

o de campo.

Las curvas de humedad en función de la profundidad y del tiempo de un

suelo son importantes para entender el problema de flujo transitorio en la

zona no saturada. La pendiente de la curva representa el almacenamiento

característico del suelo. La pendiente indica la cantidad de agua tomada o

entregada por el suelo como un resultado del cambio de la presión de agua

de poros.

El caudal de agua que se infiltra, también denominada tasa de infiltración,

es igual a la variación de la humedad para dos tiempos distintos dividido

por la variación del tiempo, es decir:

t t tth h

ft t

…… (13)

Donde t t es la humedad en el tiempo t t y es función de h. La

ecuación de Richards permite calcular los perfiles de humedad del suelo y

por ende la tasa de infiltración.

La tasa de infiltración promedio estará dada por:

1 1

n n

t t t th h

fn t n t

….... (14)

El flujo en medios porosos no saturados conduce a diferentes expresiones

de la ecuación de Richards (1931), que se expresan en derivadas

parciales.

Page 124: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

115

La ecuación que describe el flujo del agua de un medio anisotrópico

saturado o no saturado que considera que el flujo cumple con la ley de

Darcy, normalmente se refiere como la ecuación de Richards (Mein y

Larson, 1973) se expresa como:

y rwx rw z rww

w w w

k k Hk k H k k Hh h h

t x x y y z z

…. (15)

Donde w es la cantidad volumétrica de la fase líquida, kx, ky, kz, son las

permeabilidades intrínsecas correspondientes a las direcciones x, y, z

respectivamente, krw es la permeabilidad relativa de la fase liquida, µw es la

viscosidad dinámica de la fase liquida, H es la succión (z – h) y h es la

altura piezométrica.

Esta ecuación, altamente no lineal, para su solución necesita la definición

de las funciones hidráulicas del suelo. La ecuación de Richards, o

cualquiera de sus formas modificadas, ha sido la piedra angular para el

desarrollo de la mayoría de los modelos numéricos del cálculo de

infiltración en medios porosos no saturados (Espinoza,1993).

Si se considera que el movimiento del aire no produce un efecto apreciable

en el movimiento del agua, se puede utilizar sólo la ecuación (15) para

describir el flujo en un medio no saturado (Philip, 1984; Neuman, 1973;

Rubin, 1966; Wallace, 1975). La ecuación de Richards para flujo en medios

porosos no saturados es una ecuación diferencial en derivadas parciales

de segundo orden parabólica no lineal (Paniconi,1991). La no linealidad de

la ecuación de Richards se debe a que la conductividad hidráulica es

función de h entonces se tiene el producto de .ii

hK h

i

, donde Kii es la

conductividad hidráulica, e i indica las direcciones x, y, z. La conductividad

hidráulica está dada por la siguiente relación:

.ii rw

ii

w

k kK

…. (16)

Page 125: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

116

La conductividad hidráulica no sólo no es una función lineal de la succión

sino que además depende de la historia de humedecimiento y secado del

suelo (histéresis).

w

xx yy zz

h h h hK h K h K h

t x x y y z z

……(17)

Para resolver numéricamente esta ecuación es necesario resolver un

problema de valores de condiciones iniciales y de borde, es decir de

condiciones mixtas (Paniconi y otros, 1991).

Cuando la conductividad hidráulica no es función de la succión (es una

constante) en la ecuación anterior se puede sacar de la derivada parcial y

la ecuación de Richards toma la forma matemática de la ecuación de

Laplace. Esto ocurre en la realidad cuando en el suelo se estudian los

fenómenos permanentes o estacionarios.

2 2 2

2 2 20Sx Sy Sz

h h hK K K

x y z

….. (18)

Donde Ksx, Ksy, Ksz son las conductividades hidráulicas saturadas en las

direcciones x, y, z respectivamente.

Si el medio es isotrópico las conductividades hidráulicas saturadas en las

tres direcciones son iguales (Ksx = Ksy = Ksz) la ecuación (18), se transforma

en:

2 2 2

2 2 20

h h h

x y z

…... (19)

Y para flujo bidimensional

2 2

2 20

h h

x y

….. (20)

Page 126: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

117

El flujo bidimensional en un medio poroso saturado puede representarse

por dos familias de curvas del plano que se intersecan en ángulo recto. Dos

funciones conjugadas armónicas ϕ y ψ, satisfacen la ecuación de Laplace y

las curvas ϕ(x,y) = cte y ψ(x,y) = cte, son ortogonales (Harr, 1962). Una de

estas familias de curvas representa las trayectorias de flujo de las

partículas de agua filtrante, o líneas de corriente, ψ (x,y). La otra familia

está constituida por las curvas representativas de los puntos de igual

presión piezométrica o presión total y se las denomina líneas

equipotenciales, ϕ (x,y).

4.4. MÉTODOS DE SOLUCIÓN PARA RÉGIMEN PERMANENTE O

ESTACIONARIO – SOLUCIÓN DE LA ECUACIÓN DE LAPLACE

La solución para problemas de infiltración en régimen laminar y

permanente se obtiene resolviendo la ecuación de Laplace. Varios

métodos se han desarrollado para resolver la ecuación de Laplace en

forma exacta o aproximada, Radhakrishna agrupa los métodos según se

muestra en el Cuadro Nº34.

Cuadro Nº34: MÉTODOS DE SOLUCIÓN PARA INFILTRACIÓN, (RADHAKRISHNA, 1978)

Para el desarrollo del presente trabajo se empleó el Método de los

Elementos Finitos, sin embargo se presenta una descripción breve de los

métodos existentes.

Page 127: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

118

4.4.1. REDES DE FLUJO

Uno de los métodos más ampliamente usados es el del dibujo de las redes

de flujo que puede adaptarse para solucionar distintos problemas de

infiltración en presas y otros proyectos que involucran estructuras

hidráulicas, este método gráfico es aún uno de los más aceptados para dar

solución a los problemas de infiltración resolviendo la ecuación de Laplace

(Casagrande 1937). Si se conocen las condiciones de borde y la geometría

en una región de flujo que puede analizarse en forma bidimensional, la red

de flujo proporciona una información visual de lo que está pasando (valores

de caudal y de presión) en la región de análisis.

La ecuación 2 2

2 2 2 20

x y

, es una ecuación en derivadas parciales

elíptica cuya solución puede representarse por dos familias de curvas del

plano que se intersecan en ángulo recto.

Dos funciones conjugadas armónicas ϕ y ψ satisfacen la ecuación de

Laplace y las curvas ϕ(x,z) = cte y ψ(x,z) = cte son ortogonales (Harr,

1962). Una de estas familias de curvas representa las trayectorias de flujo

de las partículas de agua filtrante, o líneas de corriente, ψ(x,z). La otra

familia está constituida por las curvas representativas de los puntos de

igual presión piezométrica o presión total y se las denomina líneas

equipotenciales, ϕ (x,z). Las redes de flujo son una solución única para una

condición específica de infiltración, es decir, que existe una sola familia de

curvas que será solución para una geometría y condiciones de contorno

dadas.

4.4.1.1. CONDICIONES DE FRONTERA

Se presenta a continuación la descripción realizada por Marsal y

Resendiz Nuñez en 1975, respecto a las condiciones de frontera o

condiciones de contorno.

Page 128: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

119

El primer paso para resolver un problema de flujo es la especificación

de las condiciones de frontera, para lo cual es necesario determinar las

características geométricas e hidráulicas de las superficies extremas

que delimitan el dominio de flujo. En los casos de flujo bidimensional (o

tridimensional con simetría axial), una sección del medio en la dirección

del flujo es representativa de las condiciones en cualquier otra, y

aquellas superficies se reducen a líneas. Se presenta a continuación un

resumen de las condiciones de frontera.

En medios homogéneos hay cuatro posibles clases de líneas de

frontera:

a) frontera suelo infiltrado-suelo impermeable (frontera impermeable).

b) frontera agua-suelo infiltrado.

c) frontera suelo infiltrado-suelo permeable no infiltrado (línea superior

de flujo).

d) frontera suelo infiltrado-aire (línea de descarga libre).

a) Frontera suelo infiltrado - suelo impermeable (frontera

impermeable).

A través de una frontera de este tipo el agua no puede fluir. Por tanto,

los componentes normales de la velocidad son nulos a lo largo de ella y

dicha frontera define una línea de flujo (recíprocamente, toda línea de

flujo puede tratarse como si fuese una frontera impermeable).

Las líneas BCDEF y HI en la Figura Nº30, son ejemplos de fronteras

impermeables, pues se supone que la permeabilidad del material

que constituye la estructura vertedora de la Figura Nº30 es despreciable

en comparación con la del suelo de cimentación, y en la Figura Nº31,

otro tanto acerca de la permeabilidad del suelo o roca debajo de AD, en

comparación con la del suelo que constituye la presa.

Page 129: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

120

Figura Nº30: FLUJO CONFINADO BAJO LA CIMENTACIÓN

Figura Nº31: FLUJO NO CONFINADO A TRAVÉS DE UNA PRESA

b) Frontera agua-suelo infiltrado

Estas fronteras son ejemplificadas por AB y FG en la Figura Nº30, y por

BE y CG en la Figura Nº31. En vista de que en el flujo de agua en

suelos la carga de velocidad es despreciable, la distribución de presión

en las fronteras agua-suelo infiltrado puede considerarse hidrostática.

Entonces en un punto cualquiera de ellas, por ejemplo el punto P sobre

la frontera BE (Figura Nº31), la carga de presión es 3h y y la carga

de posición es y, por lo que en cualquier punto de la frontera BE la

carga hidráulica total será: 3 3h y y h

Entonces, la condición que debe cumplirse en toda frontera agua-suelo

infiltrado es:

co tanh ns te

Así pues, cada una de dichas fronteras es una línea equipotencial.

Page 130: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

121

c) Frontera suelo infiltrado-suelo permeable no infiltrado (línea

superior de flujo).

En la Figura Nº31, la línea EF separa, dentro de la misma masa de

suelo BHIC, la zona de flujo BEFGC de la porción de suelo que

teóricamente no es infiltrado por el agua que fluye de un lado a otro

de la presa. Obviamente, los componentes de la velocidad, v,

normales a dicha línea son nulos, y por tanto esta es una línea de flujo;

pero el hecho de ser precisamente la línea superior de flujo le impone

condiciones adicionales que no son comunes a cualesquiera otras

líneas de corriente: la presión es constante en toda ella (igual a la

atmosférica) y, siendo despreciable la carga de velocidad, la carga

hidráulica total en dicha línea es: h y , lo que indica que la carga de las

líneas equipotenciales que corten la línea superior de flujo será idéntica

a la elevación del punto de intersección. Esto requiere que, si se trazan

equipotenciales con caída de carga ∆h constante, la diferencia de

elevación de las intersecciones de dos equipotenciales contiguas

cualesquiera con la línea superior de flujo sea también constante e igual

a ∆h (Figura Nº32).

Figura Nº32: CONDICIÓN DE INTERSECCIÓN DE LAS EQUIPOTENCIALES CON LA LÍNEA SUPERIOR DE FLUJO

Page 131: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

122

Por otra parte, se puede demostrar que las condiciones de entrada y de

salida de la línea superior de flujo son las mostradas en la Figura Nº33.

Figura Nº33: CONDICIONES DE ENTRADA Y DE SALIDA DE LA LÍNEA SUPERIOR DE FLUJO (TOMADOS DE CASAGRANDE, 1925-1940)

d) Frontera suelo infiltrado-aire (línea de descarga libre).

La línea FG en la Figura Nº31 es una frontera de este tipo. En ella,

como en la línea superior de flujo, la carga hidráulica es igual a la de

posición, esto es, se cumple h y . Sin embargo, FG no es línea de

flujo, aunque tampoco es equipotencial; es simplemente una cara de

descarga libre.

Por h y , es evidente que FG no es una equipotencial. Se puede

demostrar que tampoco es línea de corriente, como sigue: por las

propiedades idénticas de las líneas de flujo y de las fronteras

impermeables, pueden sustituirse las líneas de corriente EF y JG por

fronteras impermeables sin que se alteren las condiciones de flujo entre

ellas; si FG fuera línea de flujo, los componentes de v normales a ella

Page 132: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

123

serian nulos y el gasto a través del tubo de flujo definido por EF y JG

también se anularía; lo que es imposible siendo permeable el suelo

comprendido en dicho tubo. El mismo razonamiento sirve para

demostrar que dos líneas de corriente jamás se cortan.

En forma análoga a lo que ocurre con la línea superior de flujo, h y ,

obliga a que todo par de- equipotenciales corten la línea de

descarga libre en puntos con diferencia de elevación igual a la

diferencia de carga hidráulica de dichas equipotenciales. En el

caso de la línea de descarga libre, es obvio que tales

intersecciones no ocurrirán perpendicularmente, pues se ha

demostrado que la línea de descarga libre no es línea de flujo.

Atendiendo a las condiciones de frontera, los problemas de flujo de

agua en suelos pueden clasificarse en dos categorías:

Los de flujo confinado, en que todas las fronteras del dominio de flujo

son conocidas de antemano, en cuyo caso las fronteras son de los tipos

a y b descritos;

Los de flujo no confinado, en que para tener completamente

especificadas las condiciones de frontera es necesario definir

previamente una de las dos fronteras desconocidas (las de los tipos

c y d, esto es, la línea superior de flujo y la de descarga libre).

La Figura Nº30 muestra un caso de flujo confinado, y la Figura Nº31 uno

de flujo no confinado.

4.4.1.2. LÍNEAS EQUIPOTENCIALES Y LÍNEAS DE CORRIENTE

El método gráfico de redes de flujo es aplicable para flujo bidimensional

y en ciertos casos de flujo tridimensional con simetría axial. Este

método tiene sobre los demás la ventaja de desarrollar en quien lo

utiliza sistemáticamente una clara concepción física de las

Page 133: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

124

características generales del flujo de agua en suelos y de sus detalles

más significativos.

La solución en un dominio de flujo homogéneo e isótropo está

representada geométricamente por lo que se llama red de flujo, formada

por infinidad de curvas pertenecientes a dos familias de líneas

mutuamente ortogonales: las de flujo o corriente y las equipotenciales.

De la infinidad de equipotenciales y líneas de corriente, deben tomarse

número de curvas de cada familia, de modo que entre cada par de

líneas de flujo adyacentes el caudal sea el mismo, q , y entre dos

equipotenciales vecinas cualesquiera la caída de carga hidráulica sea

idéntica, h .

De ese modo se obtiene una red formada por f

qn

q

canales de flujo y

e

hn

q

caídas de potencial, en que q es el caudal total a través de la

zona de flujo y h es la diferencia de carga hidráulica entre las

equipotenciales extremas. Considérese un rectángulo cualquiera de la

red de flujo resultante (Figura Nº34).

Figura Nº34: CONDICIÓN DE INTERSECCIÓN DE LAS EQUIPOTENCIALES CON LA LÍNEA

SUPERIOR DE FLUJO,(MARSAL Y RESENDIZ NUÑEZ,·1975)

Por la ley de Darcy, el caudal que pasa a través de él es

.1e

h a hq K a K

b b n

…. (21)

Page 134: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

125

Se considera que el espesor del tubo de flujo en la dirección

perpendicular al plano de la figura es unitario. Donde:

f

f q

e

n aq n Kh

n b … (22)

En vista de que , ,f

e

nq K h y

nson constantes para un problema dado, la

relación de lados a/b debe ser la misma para todos los rectángulos de

la red. Este es uno de los principios básicos para el trazado de redes de

flujo. En caso de que se elija a/b = 1, todos los elementos de la red

serán "cuadrados" como en las figuras anteriores, y la ecuación para el

caudal por unidad de espesor de la zona de flujo será

f

e

nq Kh

n … (23)

Subdividiendo un número de veces suficiente cada elemento de la red

de flujo, mediante líneas que definan tubos de flujo de igual caudal y

equipotenciales de igual variación de carga, se debe obtener al fin

elementos rigurosamente cuadrados, excepto en ciertos puntos

singulares aislados. En torno a dichos puntos aparecen en la red de

flujo cuadrados singulares con más o menos de cuatro lados, como en

el punto C de la Figura Nº30, con lados que no se intersecan

perpendicularmente, como en el punto B de la Figura Nº31, o bien con

lados cuya intersección está a distancias infinitas, como en los

cuadrados singulares de la extrema derecha y de la extrema izquierda

en la red de flujo de la Figura Nº30. El único procedimiento válido para

investigar si un cuadrado singular está o no correctamente trazado

consiste en subdividirlo, si cada subdivisión da lugar a tres cuadrados

regulares y un cuadrado singular geométricamente semejante al

original, este es correcto.

Page 135: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

126

El coeficiente nf/ne se llama factor de forma de la red de flujo y fija la

relación de lados a/b; su valor es independiente del número de canales

de flujo o de caídas de carga usados. Por otra parte, se puede

demostrar que la ecuación de Laplace para flujo bidimensional tiene

solución única, es decir, que si en un problema dado se logran trazar

dos familias de curvas mutuamente ortogonales cuyas intersecciones

definan cuadrados y satisfagan las condiciones de frontera, dichas

familias son la respuesta a la ecuación de Laplace para el problema

dado. Esto constituye la justificación del método gráfico para la solución

de problemas de flujo de agua en suelos.

4.4.2. MODELOS FÍSICOS

Gradualmente los modelos físicos sean de escala o analógicos, están

siendo reemplazados por modelos numéricos y computacionales. Los

modelos que simulan flujo de agua en medios porosos se siguen usando

porque pueden dar una percepción buena de lo que está ocurriendo

durante la filtración y permiten una apreciación física de la reacción del

sistema de flujo a los cambios en la carga, en la geometría, y otras

suposiciones. Su uso ha quedado casi restringido a la visualización del flujo

en laboratorio de uso didáctico.

4.4.2.1. MODELOS DE ANALOGÍA ELÉCTRICA

Los procesos que involucran movimiento de energía debido a

diferencias en el potencial de energía operan por los mismos principios

del movimiento del agua en flujo confinado. Estos procesos incluyen

electricidad y flujo de calor que se han usado como analogías de

infiltración.

Se debe destacar que mientras la analogía eléctrica proporciona en

forma simple el análogo a una red de flujo (las líneas de corriente se

Page 136: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

127

pueden obtener fácilmente conociendo las líneas equipotenciales), está

sujeto a las limitaciones propias del análisis de red de flujo.

Otra limitación en el modelo eléctrico es que el potencial eléctrico no

está sujeto a la gravedad, esto requiere que el sistema sea confinado.

4.4.2.2. MODELOS DE ARENA

Los modelos que usan los materiales del prototipo pueden proporcionar

información sobre los caminos de flujo y las cargas en puntos del

acuífero. La arena o el material poroso pueden colocarse bajo el agua

para proporcionar una condición homogénea, o pueden usarse capas

de tamaños de arena diferentes para estudiar los efectos en los bordes

o capas. Si el flujo es no confinado y el mismo material se usa para el

modelo y el prototipo, el ascenso capilar no se modelará y debe ser

compensado en el modelo. El flujo puede ser trazado por la inyección

de tinta y las cargas determinadas por piezómetros. Las desventajas

incluyen efectos de las capas cuando se coloca el material poroso lo

que dificulta la permeabilidad modelada del prototipo y los efectos de

borde. Prickett (1975) proporciona ejemplos de depósitos de arena y

discute aplicaciones, ventajas, y desventajas.

4.4.2.3. MODELOS DE FLUJO VISCOS

Los modelos de flujo viscoso han sido usados para estudiar el flujo no

permanente y los efectos de los drenes. Este método depende del flujo

de un fluido viscoso como aceite o glicerina entre dos platos paralelos y

normalmente se usa para estudiar el flujo bidimensional.

Como con los modelos de arena, la tinta puede usarse para rastrear las

líneas de flujo. La Construcción es normalmente complicada y el

funcionamiento requiere de cuidado ya que la temperatura y fuerzas

Page 137: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

128

capilares afectan el flujo. El flujo debe ser laminar, lo cual es difícil de

lograr en los bordes o en los cambios bruscos de la geometría de los

bordes.

4.4.3. MÉTODOS ANALÍTICOS

4.4.3.1. TRANSFORMACIONES, MAPEOS

Harr (1962) explica el uso de transformaciones y mapeos para transferir

la geometría de un problema de filtración en un plano complejo en otro

plano. De esta manera, la geometría de un problema puede tomarse de

un plano donde la solución es desconocida a un plano donde la

solución es conocida. Mientras este método se ha usado para obtener

las soluciones de problemas generales, no es frecuentemente usado

para las soluciones de problemas de infiltración específicos, ya que

requiere del uso de teorías sobre variables complejas y la elección de

funciones apropiadas para la transformación.

En este tipo de soluciones tiene por fundamento que si una función de

valor real h de dos valores reales x e y es armónica en un dominio dado

del plano xy, si en todo punto de ese dominio tiene derivadas parciales

(primera y segunda) continuas y satisface la ecuación diferencial parcial

de Laplace

2 2

2 20

h h

x y

Si una función f (z) = u(x, y) + iv(x, y) es analítica en un dominio D, se

demuestra que las funciones componentes u y v son armónicas en D.

Expresamente si una función de una variable compleja es analítica en

un punto, se cumple que sus partes real e imaginaria tienen derivadas

parciales de todos los órdenes, continuas en dicho punto.

Page 138: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

129

Ya que f es analítica en D, las primeras derivadas parciales de sus

componentes satisfacen las ecuaciones de Cauchy-Riemann en todo

punto D, es decir

u v u v

x y y x

Al diferenciar los dos miembros de estas ecuaciones respecto a X, se

tiene

2 2 2 2

2

u v u v

x y x y x x y

…. (24)

De igual manera al diferenciar respecto a y, se obtiene

2 2 2 2

2 2

u v u v

x y y y x y

…. (25)

Y al aplicar el teorema del cálculo de variables reales, la continuidad de

las derivadas parciales asegura que 2 2 2 2v v u u

yy x x y x y y x

. Por

lo tanto de las ecuaciones (24) y (25), resulta

2 2 2 2

2 2 2 2, , 0 , , 0

u u v vx y x y y x y x y

x y x y

Es decir que si f (z) = u(x, y) + iv(x, y) es analítica en un dominio D, sus

funciones componentes u y v son armónicas en D.

4.4.3.2. MÉTODOS DE LOS FRAGMENTOS

Pavlovsky (1936, 1956) desarrolló un método aproximado que permite

separar en tramos el problema de flujo para desarrollar la filtración en

su totalidad. Este método, llamado el Método de los Fragmentos,

permite resolver problemas de infiltración bastante complicados

Page 139: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

130

fraccionándolos en partes, analizando los modelos de flujo para cada

una, y volviendo a montar las partes para proporcionar una solución

global. Harr (1962) presenta la explicación del trabajo de Pavlovsky.

El método de los fragmentos es un método de aproximación analítica

para el cálculo de los caudales y presiones para aguas subterráneas.

La hipótesis de este procedimiento se basa en el supuesto de que las

líneas equipotenciales en diversos lugares críticos en la región de flujo

son rectas verticales. Estas líneas equipotenciales dividen la región del

flujo en partes o fragmentos. Otros supuestos inherentes al método de

fragmentos son:(a) la ley de Darcy es válida, (b) se ha alcanzado el

estado permanente, y (c) el suelo se aproxima a un estrato homogéneo

e isotrópico o una serie de capas isotrópicas y homogéneas.

Conceptos básicos. El caudal a través de un único fragmento se calcula

como: i

i

Khq

…. (26)

Donde. K: coeficiente de conductividad

hi = Pérdida de carga a través del fragmento

ϕi = Factor de forma adimensional,

Debido a que los bordes de los fragmentos consisten en líneas

equipotenciales, el flujo a través de cada fragmento debe ser igual al

total del flujo a través del sistema. Así

1 2

1 2

.... n

n

KhKh KhQ

….. (27)

Dado que la suma de las pérdidas de carga en cada fragmento es igual

a la pérdida total, el caudal total puede ser expresado como

1

n

i

i

KhQ

…. (28)

Page 140: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

131

Donde h es la pérdida total de carga a través de la sección. En la

misma línea, la pérdida de carga en cada fragmento puede calcularse a

partir de

1

ii n

i

i

hh

…… (29)

La pérdida de carga a lo largo de toda la frontera impermeable de un

fragmento se asume que cambia en forma lineal. El concepto básico del

método de los fragmentos es fraccionar la región de flujo en partes para

las que el factor de forma toma las expresiones que se muestran en la

Figura Nº35, (Harr, 1991).

Hay nueve diferentes tipos de fragmentos desarrollados. De estos, los

seis primeros son para flujo confinado, mientras que los tres últimos son

para flujo no confinado.

Figura Nº35: RESUMEN DE TIPOS DE FRAGMENTOS Y FACTORES DE FORMA,

(ADAPTADO DEL U.S. ARMY CORPS OF ENGINEERS, 1993)

Page 141: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

132

Page 142: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

133

Tipo I. Este tipo representa el fragmento de una región de flujo

horizontal entre fronteras impermeables.

Este tipo de sección es el que se usará de base para el cálculo de los

factores de forma para los fragmentos del Tipo IV, V, y VI.

Tipo II. Este tipo representa un fragmento con un borde impermeable

de profundidad S, en un estrato permeable de espesor T.

Tipo III: Este tipo de fragmento representa un borde impermeable de

longitud b, con una profundidad de longitud S, en un manto permeable

de espesor T.

Tipo IV: Este tipo es un fragmento interno con borde de longitud b, con

una profundidad S, en un estrato permeable de espesor T.

Tipo V: Este tipo de fragmento tiene dos tipos de bordes de igual

profundidad S en un estrato permeable de espesor T.

Tipo VI: Este tipo de fragmento, es igual al del Tipo V excepto que la

longitud de los bordes es distinta.

Tipo VII: Este tipo de fragmento representa la condición de flujo no

confinado. Este flujo está caracterizado por tener una línea superior de

flujo (línea A-B), esta línea separa el flujo saturado del flujo no saturado.

Según la ley de Darcy y la hipótesis de Dupuit, el gradiente hidráulico es

Page 143: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

134

1 2h h

L

, y la sección transversal

1 2

2

h h, por lo tanto el caudal es:

1 2

2

h hQ k

L

.

Tipo VIII: Este tipo de fragmento representa una presa de material

suelto con una condición de entrada con una pendiente dada y de una

altura hd.

Tipo IX: Este tipo de fragmento representa una condición de salida

donde existe una superficie de descarga libre. Esta superficie DE no es

una línea equipotencial ni una línea de flujo. La hipótesis de Pavlovsky

es que el flujo es horizontal. Para el tramo DE el caudal es el producto

del coeficiente de permeabilidad por la integral de dy sobre cot(α). El

caudal para el tramo EF es igual al producto del coeficiente de

permeabilidad por a2dy sobre (a2 + h2 – y).

Gradiente de Salida: El método de los fragmentos permite la

determinación del gradiente de salida cuando el último fragmento

(aguas abajo) es del tipo II o III.

4.4.3.3. SOLUCIONES CERRADAS

Las soluciones cerradas resuelven el problema de infiltración para

casos especiales en términos de funciones y condiciones de contornos

particulares. Las soluciones cerradas existen para condiciones de

infiltración más simples y se hallan usando las técnicas de mapeo o por

el método de los fragmentos, que en síntesis son métodos analíticos

para encontrar soluciones al problema de infiltración. Ejemplos de ellas

son la expresión de Pavlovsky para una presa impermeable con

pantalla para flujo confinado. Los problemas de infiltración asociados a

presas típicas requieren soluciones aproximadas debido a las

complicadas condiciones del flujo

Page 144: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

135

4.4.4. MÉTODOS NUMÉRICOS Y COMPUTACIONALES

Los métodos computacionales se usan para condiciones del flujo

complejas y usan aproximaciones para la solución de la ecuación de

Laplace; han reemplazado casi totalmente a los físicos y analíticos.

Los dos métodos de solución numérica son el método de diferencias finitas

y el de elementos finitos. Los dos pueden modelar en forma bidimensional

o tridimensional. Existen numerosos programas para estos métodos como

los del Cuerpo de Ingenieros.

4.4.4.1. MÉTODO DE DIFERENCIAS FINITAS

El método de diferencias finitas resuelve la ecuación de Laplace

aproximándola con un sistema de ecuaciones algebraicas lineales. La

región de flujo es dividida en una malla rectangular discreta con puntos

nodales a los que se les asignan valores de carga (valores de carga

conocidos en los bordes o puntos fijos, y valores de carga estimados

para los puntos nodales de los que se desconoce su valor inicialmente).

Usando la ley de Darcy y la hipótesis de que la carga en un nodo dado

es el promedio de los nodos circundantes, se forma un sistema de N

ecuaciones algebraicas lineales con N incógnitas (N igual al número de

nodos).

Pueden resolverse mallas simples con pocos nodos. Normalmente, N

es grande y deben aplicarse métodos de relajación que involucran

iteraciones y el uso de una computadora.

A. Método de Relajación

El método de relajación permite obtener la solución de la ecuación de

Laplace por diferencias finitas.

Page 145: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

136

Para infiltración en dos dimensiones, y para flujo permanente, la

distribución de la altura de carga la ecuación de Laplace toma la forma:

2 2

2 20X z

h hK K

x z

…. (30)

En la figura siguiente se muestran las alturas de carga en una región

determinada

Para flujo en la dirección x, la relación entre las alturas de carga h1, h0,

y h3, usando la expansión en series de Taylor.

2 32 3

1 0 2 3

2 32 3

3 0 2 3

.... (31)2! 3!

.... (32)2! 3!

dx dxh h hh h dx

x x x

dx dxh h hh h dx

x x x

Sumando las ecuaciones (31) y (32), se obtiene:

22

1 3 0 22. 2 ( min ) ...(33)

2!

dxhh h h ter os de mayor orden de dx

x

Despreciando los términos mayor orden, asumiendo que un paso dx lo

suficientemente pequeño, la ecuación (33) se puede reescribir como:

Page 146: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

137

Para flujo en la dirección z , se obtiene una relación similar:

Sustituyendo las ecuaciones (34) y (35) en la ecuación (30), se obtiene:

Para un suelo isotrópico, Kx = Kz = K y dx = dz, y la ecuación (36) se

simplifica quedando:

1 2 3 4

04

h h h hh a

B. Ley de Darcy

1 0 1 0

2 0 2 0

0 3 0 3

0 4 0 4

. .

. ...(37)

. ...(38)

. ...(39)

. ...(40)

q K i A

dzq K h h

dx

dxq K h h

dz

dzq K h h

dx

dxq K h h

dz

Para el punto 0: in outq q

1 0 2 0 0 3 0 4q q q q

Se puede obtener el mismo resultado que para la ecuación (a):

21 3 0

22

2....(34)

h h hh

x dx

22 4 0

22

2....(35)

h h hh

z dz

1 3 0 2 4 0

2 2

2. 2.0 ...(36)X Z

h h h h h hK K

dx dz

Page 147: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

138

Puntos simétricos

1 2 3 4

0

2. 2. 2. 2.

8

h h h hh

Para diferentes condiciones de borde, se pueden escribir diferentes

ecuaciones para evaluar la carga. Se presentan a continuación seis

casos.

Caso (a): Elemento básico para región uniforme

1 2 3 40 ( )

4

h h h hh a

Caso (b): Borde impermeable

1 2 30

2.( )

4

h h hh b

Caso (c): Esquina

1 20 ( )

2

h hh c

Page 148: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

139

Caso (d): Esquina región exterior

3 4 2 10

2. 2.( )

6

h h h hh d

Caso (e): Pila

' "

1 2 2 3 4

0

2. 2. 2.( )

8

h h h h hh e

Caso (f): Capas de suelo

1 21 2 3 4

1 2 1 2

0

2. 2.. .

( )4

K Kh h h h

K K K Kh f

4.4.4.2. MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS

El método de elementos finitos es una segunda forma de solución

numérica. Este método también se basa en el modelo de malla (no

necesariamente rectangular Figura Nº36) que divide la región de flujo

en elementos discretos y proporciona N ecuaciones con N incógnitas.

Para cada elemento se especifican sus propiedades, como la

permeabilidad, y se establecen las condiciones de borde (cargas y

caudales). Se resuelve el sistema de ecuaciones para determinar las

cargas en los nodos y caudales en los elementos.

Page 149: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

140

Figura Nº36: ELEMENTOS FINITOS BIDIMENSIONALES MÁS UTILIZADOS

A. Discretización de los Elementos Finitos

El potencial en cualquier posición dentro de un elemento puede ser

expresada en los valores en los nodos de cada elemento como:

, en N ….. (41)

Donde N es el vector con las funciones de interpolación y ξ y η las

coordenadas locales dentro del elemento. De acuerdo a la ecuación de

Darcy, el caudal específico es función del gradiente hidráulico. Este

gradiente se puede determinar conociendo la matriz B que contiene las

derivadas espaciales de las funciones de interpolación. Para describir el

suelo saturado (por debajo de la línea freática) como para el suelo no

saturado (por encima de la freática), se introduce una función rK en la

Ley de Darcy (Desai, 1976; Li y Desai, 1983; Bakker, 1989):

r r

x x y yq K K q K Kx y

…. (43)

La función de reducción toma el valor 1 por debajo de la freática y

valores menores que 1 por encima. En la zona de transición por encima

de la freática, los valores de la función decrecen hasta un mínimo de

10-4. En la zona de transición la función se describe usando una

relación logarítmica:

4 / 4410 log 10 1kh hr r r

k

hK o K K

h

….. (44)

Donde h es la carga hidráulica y hk es la carga hidráulica donde la

función de reducción alcanza el valor mínimo 10-4.

Page 150: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

141

En la formulación numérica, el caudal específico, q queda escrito como:

r eq K RB … (45)

Donde: 0

0

x x

y y

q Kq y R

q K

El caudal en el nodo resulta de integrar los caudales en los puntos de

integración

e TQ B qdV …. (46)

En la que TB es la matriz transpuesta de la matiz B. A nivel de elemento

se aplican las siguientes ecuaciones:

e e e e r TQ K con K K B RBdv …. (47)

A nivel global, se suma la contribución de todos los elementos y se

imponen las condiciones de borde (tanto en carga como en caudal). El

resultado es un sistema de n ecuaciones con n incógnitas:

Q K …. (48)

En la que K es la matriz de flujo global y Q contiene los caudales dados

por las condiciones de borde.

En el caso que se desconoce la línea freática (problema de flujo no

confinado) se utiliza el esquema de Picard para resolver el sistema de

ecuaciones en forma iterativa. El sistema lineal se resuelve en forma

incremental y el proceso de iteración puede ser formulado como:

1 1 1 1jj j j j j jK Q K …. (49)

Donde j es el número de iteración. En cada iteración se calcula el

incremento de la carga del desequilibrio en los caudales nodales y

sumados a la carga activa.

Page 151: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

142

De la nueva distribución de las cargas se calculan los nuevos caudales

de acuerdo a la ecuación correspondiente los que pueden ser

nuevamente integrados en los nodos. Este proceso continúa hasta que

el valor del error (módulo del vector de desequilibrio) es menor que la

tolerancia.

El método de elementos finitos tiene varias ventajas sobre el método de

diferencias finitas para los problemas de infiltración más complejos.

Éstas incluyen (Radhakrishnan 1978):

a) Se pueden estudiar fácilmente geometrías complejas con capas de

suelos inclinadas.

b) Se pueden modelar con precisión, variando el tamaño de elementos,

zonas donde los gradientes de infiltración o las velocidades son altos.

c) Se puede modelar una porción de suelo dentro de una capa.

4.5. FORMULACIÓN DE LOS ELEMENTOS FINITOS

Considerando la anisotropía del suelo, donde la dirección de la mayor

conductividad está inclinada un ángulo arbitrario con respecto al eje x. se

tiene la siguiente ecuación:

2

2 2

1 2

2 2

1 2

1 2

1

2

...(50)

:

cos

cos

cos

w

xx xy yx yy w

xx

yy

xy yx

hh h h hK K K K gm

x x y y x y t

Donde

K K K sen

K K sen K

K K K K sen

K conductividad mayor

K conductividad menor

ángulo deinclinaciónentre

1K y el eje delas x

Page 152: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

143

La ecuación (50) se deriva de las ecuaciones básicas para flujo no

saturado (Fredlund 1981) y pueden usarse para describir el flujo

permanente para sistemas de suelo saturado – no saturado. El término 2

wm

representa la tasa a la que el suelo absorbe o libera agua cuando hay un

cambio en la matriz de succión

La solución de Galerkin para la ecuación (50) está dada por las integrales

sobre el área y el perímetro de un elemento triangular (Lam 1983).

0

n

T T Tn

A A S

hB K B dA h L L dA L qds

t

… (51)

Donde:

2 3 3 1 1 2

3 2 1 3 2 1

1

2

y y y y y yB

x x x x x xA

Con 1 1,x y , coordenadas cartesianas de los nodos del elemento.

xx xy

yx yy

k kK

k k

Con , , , ,xx xy yx yyk k k k componentes del tensor de permeabilidad del elemento.

1

2

3

n

h

h h

h

Con hi, la carga en los nodos de los elementos.

1 2 3

TL L L L

Con Li, coordenadas areales del elemento.

2

w

wgm

q = flujo a través del perímetro del elemento

Page 153: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

144

A = área del elemento

S = perímetro del elemento

t = tiempo

Integrando numéricamente la ecuación (51) y simplificando, la expresión

queda:

n nD h E h F …. (52)

Dónde:

, ;

2 1 1

1 2 1 , tan ;12

1 1 2

1 1 0

1 0 12 2 2

0 1 1

TD B K B A es la matriz de rigidez

AE es la matriz decapaci cia

ql ql qlF ò F ò F es el vector decaudal de

las condiciones deborde

argnh esladerivadaenel tiempodelaalturadec atotal

Para flujo transitorio la derivada en el tiempo de la ecuación (52) se puede

aproximar por diferencias finitas. Consecuentemente la relación entre las

cargas nodales de un elemento en dos pasos sucesivos de tiempo se

pueden expresar por las siguientes ecuaciones

2 22 ...(53)

...(54)

n n

t t t

n n

t t t

E ED h D h F

t t

E ED h h F

t t

La ecuación (53) se obtiene usando aproximación por diferencias central y

la ecuación (54) por aproximación hacia atrás. Generalmente las

soluciones basadas en aproximación por diferencias centrales son más

exactas que aquellas aproximaciones por diferencias hacia atrás. Sin

Page 154: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

145

embargo las aproximaciones por diferencias hacia atrás se ha visto que

son más efectivas para sortear las oscilaciones numéricas encontradas

frecuentemente en los sistemas de flujo altamente no lineales (Neuman y

Witherspoon 1971; Neuman 1973)

Después que se forman las matrices para cada elemento, se pueden

construir las ecuaciones algebraicas para todo el sistema y resolverse para

la carga total en los nodos. Sin embargo, debido a la no linealidad de la

ecuación general de infiltración, se requiere de un proceso iterativo para

obtener la correcta carga total nodal. Este proceso iterativo envuelve una

serie de aproximaciones sucesivas. Se requiere de una estimación inicial

del coeficiente de permeabilidad en un elemento para poder calcular una

primera aproximación de la carga total nodal. El cálculo de la carga nodal

total nodal permite el cálculo de la presión promedio en el elemento.

Haciendo uso de las presiones y la función de permeabilidad se puede

obtener un valor más aproximado para cada elemento. El valor mejorado

de permeabilidad es usado para computar un nuevo conjunto de cargas

totales nodales. El proceso se repite hasta que ambos, la carga total y las

diferencias en la permeabilidad para cada elemento para dos iteraciones

sucesivas son menores que una tolerancia dada.

La tasa de convergencia es altamente dependiente del grado de no

linealidad de la función de permeabilidad y de la discretización espacial del

problema. Un paso en la función de permeabilidad, requiere más

iteraciones y una mayor tolerancia en la convergencia. Una discretización

más fina tanto en el tamaño del elemento como en el paso de tiempo

ayuda para la obtención más rápida de la convergencia con menor

tolerancia. Generalmente, la solución llega con una tolerancia menor del

1% en 10 iteraciones.

La ecuación de infiltración se considera resuelta para un paso de tiempo

cuando se obtiene la convergencia de las cargas totales nodales en el

sistema. Secundariamente se pueden calcular basados en las cargas

Page 155: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

146

totales nodales, a un tiempo dado, la presión de poros, las velocidades, y

los caudales. Ecuaciones a aplicar:

Ecuación para nodos, presión de agua de poros n n

w wt tu h z g

Donde nz = elevación en los nodos de los elementos

La ecuación del vector gradiente es: x n

ty

iB h

i

La ecuación del vector velocidad es: x n

t ty

vK B h

v

La ecuación para el caudal: n n

ij j itt tq D h h

Donde ij t

q = es el caudal del nodo i contribuidos por el nodo j.

4.5.1. ESTIMACIÓN DE LA PRECISIÓN

Para un cuadro comparativo entre resultados obtenidos mediante una malla

“irregular” y una solución por relajación mediante la aproximación por

diferencias finitas de menor orden. Los dos métodos dan resultados del

mismo orden de magnitud, como era de esperar. Sin embargo, puede

demostrarse que en los problemas unidimensionales el algoritmo de los

elementos finitos da soluciones exactas en los nodos, mientras que en

general el método de las diferencias finitas no. Por consiguiente, en general

podrá obtenerse una precisión superior mediante el método de los

elementos finitos. Otras ventajas de los elementos finitos son:

Permiten tratar con simplicidad medios heterogéneos y anisótropos

(particularmente cuando la dirección de anisotropía es variable).

Page 156: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

147

Se puede variar la forma y dimensiones de los elementos de manera que

se adapten a contornos arbitrarios y permitan analizar con mayor precisión

dominios en los que la variación del funcional buscado es rápida.

Las condiciones de contorno correspondientes a una “radiación” o a un

gradiente dado se introducen de manera natural y con una precisión mejor

que en los procedimientos clásicos de diferencias finitas.

Se pueden utilizar fácilmente elementos de ordenes elevados para

aumentar la precisión sin complicar la definición de las condiciones de

contorno, dificultad que siempre surge cuando se utilizan aproximaciones

mediante diferencias finitas de orden elevado.

Finalmente, pero de gran importancia, se pueden utilizar para el

ensamblaje y la solución programas estándar para cálculo de estructuras.

4.6. APLICACIÓN DE LOS ELEMENTOS FINITOS EN EL CALCULO DE LA

INFILTRACIÓN POR LA CIMENTACIÓN DE LA PRESA IRURO

Consideraciones geológicas

De la información obtenida en las investigaciones geofísicas y geotécnicas,

se obtienen diferentes perfiles estatigráficos, los cuales han sido

proyectados a un PERFIL GEOLÓGICO CRÍTICO, (Figura Nº27 ó Plano

Nº7: PN – 01), donde los valores de permeabilidad han sido promediados

haciendo de este un perfil representativo, sobre el cual se realizara la

simulación.

Distribución de los estratos, condiciones de frontera y propiedades

dentro del esquema de la Presa:

En la Figura Nº 37, se detalla la distribución de todas las características.

Page 157: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

148

Consideraciones de análisis de infiltración:

Las alturas de nivel de aguas, están planteadas según la capacidad de

almacenamiento de la Presa Iruro en un año de operación, como se

muestra en Cuadro Nº35.

Cuadro Nº35: NIVELES DE AGUA PARA LA SIMULACIÓN DE INFILTRACIÓN

COTA VOLUMEN ALMACENADO

(m.s.n.m.) (MMC)

4,069.69 75.573

4,068.00 66.255

4,065.10 51.597

4,061.75 36.939

4,057.68 22.282

4,051.80 7.624

Nivel de Aguas de Manejo Operacional 25%

(m)

Nivel de Aguas Minimas (NAMIN)

ALTURA DE CARGA

Nivel de Aguas de Máxima Extraordinaria (NAME)

Nivel de Aguas de Manejo Operacional (NAMO)

Nivel de Aguas de Manejo Operacional 75%

Nivel de Aguas de Manejo Operacional 50%

Para determinar el caudal de infiltración real aproximado obtenido de la

simulación, multiplicamos el caudal unitario por en ancho promedio del

cauce obtenido en siguiente cuadro.

Cuadro Nº36: DETERMINACIÓN DEL ANCHO PROMEDIO DEL CAÑÓN IRURO

LOCALIZACIONLONG

(m)

Cause del Rio (aguas abajo) - 92 m del Eje 42.50

Cause del Rio (aguas abajo) - 42 m del Eje 47.61

Eje de la Presa 33.92

Cause del Rio (aguas arriba) - 46 m del Eje 36.92

PROMEDIO 40.24

Para el cálculo del caudal unitario infiltrado a través de la cimentación de la

Presa Iruro, se toma como referencia la zona de control de 139.90m,

ubicada 10m antes del talón de talud aguas abajo de la presa,

(recomendaciones geológicas del estudio geológico de la Presa), que nos

indicara el caudal unitario de infiltración “q”, así mismo la velocidad de flujo.

Page 158: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

149

Figura Nº37: CARACTERÍSTICAS GENERALES Y DE FRONTERA PARA LA PRESA IRURO

Page 159: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

150

Elección de los elementos finitos bidimensionales:

Se ha realizado la elección del elemento finito triangular con 6 nodos de

contacto, para tener mayor aproximación en la solución.

Discretización de todo el sistema planteado en la cimentación de la

Presa:

Se ha desarrollado la discretización en elementos triangulares de todo el

sistema, obteniendo 3,153 elementos. Figura Nº 38, por lo tanto se tiene

6,625 nodos para la solución del cálculo de infiltración

Planteamiento de las ecuaciones:

Para la obtención del vector gradiente, vector velocidad y caudal se

emplearan las ecuaciones planteadas, así tenemos que para:

La ecuación del vector velocidad es: x n

t ty

vK B h

v

(55)

La ecuación para el caudal: n n

ij j itt tq D h h (56)

Donde:

2 3 3 1 1 2

3 2 1 3 2 1

1

2

y y y y y yB

x x x x x xA

Con 1 1,x y , coordenadas cartesianas de los nodos del elemento.

xx xy

yx yy

k kK

k k

Con , , , ,xx xy yx yyk k k k componentes del tensor de permeabilidad del elemento.

1

2

3

n

h

h h

h

Page 160: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

151

Figura Nº38: MODELO DISCRETIZADO DE LA PRESA IRURO

ELEMENTO DE CONTROL

Longitud (m) = 139.90m Ubicación: 10 m antes del pie de talud aguas abajo

Page 161: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

152

Calculo de la Infiltración:

De acuerdo a las ecuaciones se plantea las coordenadas cartesianas de

las alturas de carga:

Cuadro Nº37: COORDENADAS CARTESIANAS DE LA CARGA DE AGUA

hx hy

Según Nodo 4,069.69

Según Nodo 4,068.00

Según Nodo 4,065.10

Según Nodo 4,061.75

Según Nodo 4,057.68

Según Nodo 4,051.80

COORDENADAS CARTESIANAS

Nivel de Aguas de Manejo Operacional 25%

Nivel de Aguas Minimas (NAMIN)

EVENTOS DE SIMULACION

Nivel de Aguas de Máxima Extraordinaria (NAME)

Nivel de Aguas de Manejo Operacional (NAMO)

Nivel de Aguas de Manejo Operacional 75%

Nivel de Aguas de Manejo Operacional 50%

Para el evento de simulación Nivel de Aguas de Máxima Extraordinaria

(NAME), en el elemento Nº1, se tiene:

Para el nodo Nº1:

Altura de carga: 35.0787 4,069.69x yh h

En el Nodo Nº1: 35.0787 4,028.57x yh h

En el Nodo Nº2: 34.6231 4,028.23x yh h

En el Nodo Nº3: 35.0787 4,028x yh h

Para el elemento Nº1

7

1 2

7

2

0 5.19 90º

5.19 0 0

35.08 4,028.571

. 34.62 4,028.23 0.13112

35.08 4,028.00

xx yy xy yx

Permeabilidad o conductividad del elemento

K K e

K e K K K

Area del elemento

A m

Page 162: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

153

Para Velocidad se tiene reemplazando en la ecuación (55):

741.33

4,028.2 4,028 4,028 4,028.6 4,028.6 4,028.25.19 0 141.17

35.08 34.62 35.08 35.08 34.62 35.082 0.1310 041.00

x

y

v e

v

9

7

4.16

2.79

x

y

v e

v e

De donde se tiene la Velocidad V = 2.79E-07 m/s y Q = 1.59 E-07m3/s

Haciendo el empleo de una hoja de cálculo se obtiene todos los valores de

velocidad, correspondientes a los 3,153 elementos ANEXO Nº10:

VALORES DE VELOCIDAD NODAL DE LOS ELEMENTOS FINITOS.

Con los valores promedio de velocidad de los elementos finitos y las

consideraciones de simulación, se tiene el siguiente cuadro:

Cuadro Nº38: RESULTADOS DEL CALCULO DE INFILTRACIÓN

CASO CONDICIONES DE FRONTERA

Velocidad

Promedio

Zona de

Control (m/s)

Caudal

Unitario: q =

(m3/s/m)

Longitud de

Ancho (L) m

Caudal Total:

Q = (m3/s)

Q

(M3/MES)

1 Nivel de Aguas de Máxima Extraordinaria (NAME) 4.56E-07 6.37E-05 40.24 2.56E-03 6,646.21

2 Nivel de Aguas de Manejo Operacional (NAMO) 4.48E-07 6.27E-05 40.24 2.52E-03 6,543.89

3 Nivel de Aguas de Manejo Operacional 75% 4.38E-07 6.13E-05 40.24 2.46E-03 6,388.13

4 Nivel de Aguas de Manejo Operacional 50% 4.26E-07 5.96E-05 40.24 2.40E-03 6,213.79

5 Nivel de Aguas de Manejo Operacional 25% 4.11E-07 5.75E-05 40.24 2.31E-03 5,992.02

6 Nivel de Aguas Minimas (NAMIN) 3.87E-07 5.42E-05 40.24 2.18E-03 5,649.77

Del cual se puede proyectar el siguiente cuadro:

Cuadro Nº39: PROYECCIÓN DE LA INFILTRACIÓN ANUAL EN ER O F EB R ER O M A R Z O A B R IL M A YO JUN IO JULIO A GOST O SEP T IEM . OC T UB . N OVIEM . D IC IEM .

6,646.21 6,646.21 6,646.21 6,543.89 6,466.01 6,388.13 6,300.96 6,213.79 6,102.90 5,992.02 5,820.90 5,649.77

VOLUMEN ANUAL APROX DE INFILTRACIÓN (M3) 75,417.01

Según el cálculo de infiltración sobre la Presa Iruro, se tiene que esta

perderá 75,417.01 m3, agua por infiltración a través de su fundación,

durante el año, cuyo volumen no resulta ser representativo.

Page 163: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

154

4.7. REVISIÓN DEL SOFTWARE EXISTENTE PARA INFILTRACIÓN

A continuación se presentan algunos de los programas existentes para la

resolución de problemas de infiltración:

PLAXIS 2D V8.

SLIDE V.6

HYDRUS

UNSATCHEM-2D

CHAIN-2D

VISUAL MODFLOW

VS2DI

CHEMFLOW

HST3D

NOUR EL - DIN

MOC3D

SALTMOD

En el presente trabajo se realizara una revisión y verificación de los datos

obtenidos mediante los elementos finitos con el software Slide V.6.0

4.7.1. CRITERIOS DE SIMULACIÓN DE LA APLICACIÓN SOFTWARE SLIDE

V.6.0

Para el desarrollo de la simulación y cálculo de la infiltración a través de la

cimentación de la Presa Iruro, haciendo uso del software Slide V. 6.0, se

requiere establecer algunos criterios fundamentales:

Se debe entender que la simulación realizada por el software SLIDE V. 6.0,

para el cálculo de infiltración a través de un medio poroso anisotrópico

heterogéneo, que es nuestro caso, es bidimensional, motivo por el cual los

Page 164: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

155

parámetros obtenidos son unitarios (medidos por una unidad de ancho).

Figura Nº30

Para facilitar los cálculos numéricos de comprobación manualmente, los

estratos que conforman el PERFIL GEOLÓGICO CRÍTICO, se ha

linealizado las proyección de los mismos, actividad que es indiferente para

el software de simulación; así también utilizado una malla “irregular” con

las, quedando nuestro escenario como lo graficado en la Figura Nº27 ó

Plano Nº7: PN – 01.

4.7.2. CONDICIONES GENERALES PARA EL MODELO

Para la obtención de resultados aproximados a los reales y confiables, se

debe establecer algunas condiciones para el escenario planteando para la

simulación:

4.7.2.1. CONDICIONES DE FRONTERA

Establecemos las condiciones de frontera dentro de nuestro escenario

planteado de la siguiente manera:

El cuerpo de Presa está constituido por 06 zonas con características

establecidas y se muestra en el Cuadro Nº40, identificándose una

pantalla impermeabilizante de concreto y un cuerpo de presa mixto.

Cuadro Nº40: CARACTERÍSTICAS PARTICULARES CUERPO DE PRESA

ABREVIATURA Coef. de Permeabilidad

MATERIAL "K" (m/s)

MP1Pantalla impermeabilizante de 40 cm

y dentellón de impermeabilización

Pantalla de Concreto y linea de

inyección impermeabilizante1.0E-10

MP2 Capa Semipermeable de 40 cm Enrrocado Procesado 1.0E-06

MP3 Transicion de 40 cm Enrrocado Procesado 1.0E-02

MP4 Zona aguas arriba espaldon resistente Enrrocado 1.0E-02

MP5 Zona aguas abajo espaldon resistente Enrrocado 1.0E-02

MP6 Zona aguas abajo espaldon resistente Enrrocado 1.0E-02

FUNCION DESCRIPCION

En la cimentación se encuentra 05 estratos, también con

características determinadas mostradas Cuadro Nº41.

Page 165: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

156

Cuadro Nº41: CARACTERÍSTICAS PARTICULARES CIMENTACIÓN DE LA PRESA

ABREVIATURA Coef. de Permeabilidad

MATERIAL "K" (m/s)

ESTRATO 1 : E1 5.19E-07

ESTRATO 2 : E2 9.00E-08

ESTRATO 3 : E3 3.00E-06

ESTRATO 4 : E4 1.25E-05

ESTRATO 5 : E5 4.00E-06

Para la condición de frontera aguas arriba, se plantea que a 87.60 m

del pie del talud aguas arriba de la Presa, por la cimentación no

existe flujo proveniente del vaso de la presa (frontera cerrada),

por lo contrario esta se genera a partir de esta distancia hacia aguas

debajo la Presa.

Para la condición de frontera aguas abajo, se plantea que a 41.60m

del pie del talud aguas debajo de la Presa, por la cimentación

existirá flujo proveniente del vaso de la presa (87.60m, frontera

abierta).

A 133.0m, se encuentra el basamento rocoso, o roca sana, por lo

que no existe flujo por la misma (frontera cerrada).

4.7.2.2. PARÁMETROS INGRESADOS AL SOFTWARE SLIDE V.6.0

El software Slide V.6.0, desarrollado por la compañía Rocsciencie, es

un software para análisis de eventos en 2D; es un programa de

estabilidad para evaluar el factor de seguridad o la probabilidad de

fracaso, de superficies de falla circular o no circular en el suelo o

pendientes rocosas, analiza la estabilidad de las superficies de

deslizamiento vertical, utilizando métodos de equilibrio límite de corte.

Slide también incluye el análisis de elementos finitos filtración de aguas

subterráneas, integrada en el programa, tanto para el estado de

equilibrio y en condiciones transitorias.

Page 166: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

157

Los parámetros que el programa necesita para el desarrollo de

simulación son los siguientes:

Los contornos o materiales externos.

Los materiales o estratos.

Las características hidráulicas de cada uno de los materiales o

estratos, en este caso los valores de permeabilidad “K”.

La altura de carga hidráulica y la longitud de superficie sobre la cual

es aplicada.

Los valores de contorno para todo el modelo, (valores de carga).

4.7.3. RESULTADOS OBTENIDOS

Con los criterios de simulación, las condiciones generales para el modelo y

los parámetros pedidos por el software, se obtienen los siguientes

resultados:

A continuación se presentan los resultados para el Primer Caso: Altura de

carga en el NAME, y los resultados de todos los casos en el Cuadro Nº42.

Page 167: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

158

Figura Nº39: CASO Nº1: RED DE FLUJO

Page 168: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

159

Figura Nº40: CASO Nº1: VELOCIDAD DE DESCARGA

Page 169: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

160

Figura Nº41: CASO Nº1: GRADIENTE HIDRAULICO

Page 170: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

161

Después de realizar la simulación para los 06 casos planteados, se obtiene

el siguiente cuadro:

Cuadro Nº42: RESULTADOS DE CALCULO DE INFILTRACIÓN

CASO CONDICIONES DE FRONTERA

Caudal

Unitario: q =

(m3/s/m)

Longitud de

Ancho (L) m

Caudal Total:

Q = (m3/s)

1 Nivel de Aguas de Máxima Extraordinaria (NAME) 6.40E-05 40.24 2.58E-03

2 Nivel de Aguas de Manejo Operacional (NAMO) 6.31E-05 40.24 2.54E-03

3 Nivel de Aguas de Manejo Operacional 75% 6.16E-05 40.24 2.48E-03

4 Nivel de Aguas de Manejo Operacional 50% 5.99E-05 40.24 2.41E-03

5 Nivel de Aguas de Manejo Operacional 25% 5.77E-05 40.24 2.32E-03

6 Nivel de Aguas Minimas (NAMIN) 5.44E-05 40.24 2.19E-03

Cuadro Nº43: CALCULO DE VOLUMEN MENSUAL DE INFILTRACIÓN

CASO CONDICIONES DE FRONTERACaudal Total:

Q = (m3/s)Q (M3/DIA) Q (M3/MES)

1 Nivel de Aguas de Máxima Extraordinaria (NAME) 2.58E-03 2.23E+02 6,679.61

2 Nivel de Aguas de Manejo Operacional (NAMO) 2.54E-03 2.19E+02 6,576.78

3 Nivel de Aguas de Manejo Operacional 75% 2.48E-03 2.14E+02 6,420.23

4 Nivel de Aguas de Manejo Operacional 50% 2.41E-03 2.08E+02 6,245.01

5 Nivel de Aguas de Manejo Operacional 25% 2.32E-03 2.01E+02 6,022.13

6 Nivel de Aguas Minimas (NAMIN) 2.19E-03 1.89E+02 5,678.17

Page 171: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

162

Cuadro Nº44: VOLUMEN ANUAL APROXIMADO DE INFILTRACIÓN

EN ER O F EB R ER O M A R Z O A B R IL M A YO JUN IO JULIO A GOST O SEP T IEM . OC T UB . N OVIEM . D IC IEM .

6,679.61 6,679.61 6,679.61 6,576.78 6,498.50 6,420.23 6,332.62 6,245.01 6,133.57 6,022.13 5,850.15 5,678.17

VOLUMEN ANUAL APROX DE INFILTRACIÓN (M3) 75,795.99

4.8. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN NUMÉRICA DEL CÁLCULO DE

INFILTRACIÓN

Los vectores de flujo generados por el programa Slide, nos muestran el

movimiento de la corriente de las filtraciones producidas bajo la cimentación de la

presa, en la cual se enmarca de una manera casi uniforme sus recorridos,

teniendo mayor presencia en los estratos permeables; así mismo estos vectores

de flujo nos señalan el comportamiento que tiene los flujos de filtraciones en la

cimentación, permitiéndonos apreciar la forma del recorrido en la que estas

filtraciones se presentarían en la situación planteada.

De las redes de flujo generadas se obtiene un caudal unitario promedio de 6.012E-

05 (m3/s)/m, para el cual se obtiene una velocidad de filtración a través de la

cimentación de la presa de 3.713 cm/día (medidas por una longitud critica de

filtración de 139.90m), este valor obtenido se encuentra en el límite permisible del

orden de 2.5 cm/día a 5.0 cm/día (Valor basado en bibliografía especializada,

experiencias y trabajos similares realizados por el consultor) por lo que queda

claro que en estas condiciones se produce una filtración baja, por la cimentación

de la Presa.

Los volúmenes máximos de filtración de acuerdos a bibliografías especializadas

no deben exceder el 2% del volumen de almacenamiento total del Embalse. Del

análisis en el Cuadro Nº44, se tiene que el volumen de filtración aproximado es de

0.08 MMC, y el volumen de almacenamiento de la Presa Iruro de 66.25 MMC,

volumen que representa el 0.11%, por lo que se concluye que el caudal de

infiltración es bajo y favorable para el almacenamiento.

De los resultados tanto de velocidad de filtración como de caudal de filtración a

través de la cimentación se concluye que estos valores se encuentran dentro de

Page 172: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

163

los rangos permitidos por lo que a través de la cimentación va a ver un volumen

de filtración bajo.

Page 173: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

164

CAPÍTULO V – REVISIÓN DE LAS DISTINTAS TECNOLOGÍAS DE

IMPERMEABILIZACIÓN EXISTENTES

5.1. TRATAMIENTOS DE GRIETAS

Existen dos posibilidades que frecuentemente aparecen al preparar la

superficie de sustentación del núcleo impermeable:

a) grietas finas, sin relleno visible y normalmente producidas por el uso de

explosivos en las excavaciones.

b) grietas anchas o zonas fracturadas, con rellenos diversos, que son de

origen tectónico en la mayoría de los casos, o producidas por relajamiento

de esfuerzos en las paredes del cañón o debido a condiciones de

estabilidad precaria de la masa rocosa.

Las grietas finas se tratan con enlucidos de mortero o simple aplicación de

lechada; en ambos casos se usa el cemento como aglutinante. En varios

proyectos se ha especificado el uso de gunita, particularmente cuando son

rocas muy fisuradas y se desea lograr una buena penetración del mortero.

Si las grietas son prominentes y tienen rellenos permeables, conviene

efectuar una limpieza ampliando en forma de cuña las fronteras exteriores

y de una profundidad por lo menos tres veces el ancho o hasta encontrar

una condición confiable desde el punto de vista del flujo de agua. En este

tipo de grietas son en las que se emplean una determinada tecnología de

impermeabilización, según las condiciones geológicas, ingenieriles y

económicas

Page 174: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

165

5.2. TECNOLOGÍA DE IMPERMEABILIZACIÓN

Los flujos y la presión de infiltración dentro de la cimentación se controlan

mediante las cortinas y el drenaje. Las cortinas son barreras impermeables

que funcionan como una extensión del núcleo del relleno dentro de la

cimentación, En general, se localiza bajo el núcleo, pero también pueden

localizarse a una corta distancia aguas arriba y estar conectados al núcleo

mediante una capa horizontal impermeable bajo el espaldón. La cortina

puede penetrar el estrato impermeable (una cortina “que penetre

totalmente”) o, si el material permeable se presenta a profundidades

considerables, puede terminar donde la pérdida de cabeza a través de la

cortina sea suficiente para efectuar el grado de control requerido (una

cortina “que penetre parcialmente”). Con frecuencia, las cortinas más

antiguos se construían como “zanjas rellenas de arcilla” muy angostas, con

el inconveniente de que muchos eran vulnerables a daños por infiltración y

erosión.

Las principales variantes de cortina que se emplean ahora son:

Cortinas relativamente ancho y con zanjas poco profundas.

Cortinas del tipo diafragma delgado, resultado de los avances logrados

en los procesos geotécnicos.

Cortinas del tipo de zona inyectada.

Teniendo esta última como la tecnología de impermeabilización empleada

en el Presa Iruro, en su primera etapa de construcción, razón por la que

será profundizada a mayor detalle.

5.2.1. CORTINAS RELATIVAMENTE ANCHO Y CON ZANJAS POCO

PROFUNDAS

Se rellena con arcilla compactaba y forma la base del núcleo que está por

encima. Es muy efectivo, en particular si se complementa con inyecciones,

Page 175: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

166

pero los costos de excavación lo limitan a profundidades máximas de zanja

del orden de 10 – 20 m.

Figura Nº43: CORTINA DE ZANJA ABIERTA (SOLO A PROFUNDIDADES MODERADAS)

5.2.2. CORTINAS DEL TIPO DIAFRAGMA DELGADO, RESULTADO DE LOS

AVANCES LOGRADOS EN LOS PROCESOS GEOTÉCNICOS.

La cortina se forma mediante la excavación, en longitudes de tramos de

una zanja angosta estabilizada con lechadas que luego se rellenan de

modo permanente con una mezcla de arcilla, arena y bentonita.

De forma alterna puede emplearse un relleno de concreto “plástico”

relativamente débil y deformable para formar el elemento impermeable. La

cortina de diafragma es muy efectiva en suelos de aluviones y de grano

más fino y puede construirse de manera económica a profundidades de

más de 30 – 40 m.

Muros de diafragma de tablestacado pueden dirigirse hasta profundidades

de 20 – 25 m para formar una cortina bajo estructuras de cabeza baja. El

costo de este tipo de cortinas es moderado, pero su eficiencia es baja a

menos que se complemente con inyecciones aguas arriba, por ejemplo con

una lechada de bentonita.

El control de la infiltración de las cortinas aguas abajo se favorecen por la

provisión casi universal de una capa de drenaje horizontal a nivel del

terreno bajo el espaldón aguas arriba. A menudo se complementa con unos

pozos profundos de alivio bajo o cerca al pie de presa.

Page 176: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

167

También se puede moderar la infiltración por medio de una continuación

del núcleo aguas arriba mediante una capa horizontal impermeable que se

extiende sobre el lecho del embalse. La capa se lleva aguas arriba a una

distancia suficiente para alargar la trayectoria de infiltración y de esta

manera reducir el flujo al nivel requerido. El espesor del relleno

compactado requerido puede tomarse como c =1.0 + 0.1 H, donde H (m) es

la altura del relleno. La eficiencia de una capa aguas arriba puede ser

relativamente bajo con respecto a los considerables costos de construcción

involucrados.

Figura Nº44: CORTINA DE DIAFRAGMA (NO NECESITA PENETRAR A CAPAS IMPERMEABLES)

Figura Nº45: CAPA AGUAS ARRIBA (PUEDE EMPLEARSE DRENES INFERIORES CON POZOS

DE ALIVIO

5.2.3. CORTINAS DEL TIPO DE ZONA INYECTADA

Se emplea en la actualidad para un rango amplio de condiciones de

cimentación debido a los desarrollos en las técnicas de lechada, por

ejemplo las técnicas de inyección en aluviones. La cortina se forma por

Page 177: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

168

varias líneas paralelas de agujeros de inyección alternadas, espaciadas de

2 a 3 m entre los centros. En general, se utilizan lechadas de base de

cemento y bentonita, pero hay disponibles lechadas químicas más

sofisticadas y costosas para condiciones particularmente difíciles. Las

cortinas inyectadas son más efectivos en roca fracturada y en suelos de

grano más grueso, donde pueden reducir la permeabilidad entre uno a tres

órdenes de magnitud. Cortinas de este tipo se han construido hasta

profundidades de más 100 m. Pueden ser instalados o mejorados después

perforando a través del cuerpo de una presa, pero de ordinario son

relativamente costosos.

Figura Nº46: CORTINA INYECTADA (NO NECESITA PENETRAR CAPAS IMPERMEABLES)

5.2.3.1. INYECCIONES

Es el método tradicional para tratar cimentaciones de roca y depósitos

de aluvión. En el libro de H. Cambefort, Injetion des Sols (1964), se

encuentra la más completa información sobre los fundamentos,

procedimientos y mezclas recomendables. En él se expone lo que se ha

llamado técnica europea, en ciertos aspectos opuestos a la

norteamericana representada por las normas que aplica el U.S. Bureau

of Reclamation. Con base en estas últimas, el Ing. Antonio Coria, de la

Secretaria de Recursos Hidráulicos, ha formulado las “Instrucciones

Page 178: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

169

sobre Operaciones de Inyectado de una Roca de Cimentación” (1956),

que salvo casos especiales, emplea la citada secretaria en sus obras.

5.2.3.2. TIPOS DE TRATAMIENTO

De acuerdo con el objeto que se persigue, deben clasificarse las

inyecciones en:

a) De sellado

b) De consolidación

Con las primeras se intenta llenar las grietas, los conductos de

disolución o los huecos mayores de un aluvión, según sea el caso. La

finalidad de las segundas es disminuir la compresibilidad de la roca al

mismo tiempo que la permeabilidad, llenando fisuras de la roca con una

mezcla resistente, aplicada a alta presión. Las presas de tierra y

enrocamiento requieren un tratamiento a base de inyecciones de

sellado; las deformaciones de la orca, aun cuando se presente muy

fisurada, no son significativas para el comportamiento de esas

estructuras. En cambio, para las cortinas de concreto es conveniente

aumentar el módulo de deformación de la cimentación y

empotramientos, por medio de inyecciones de consolidación, usadas

también para mejorar las condiciones de la roca alrededor de tuberías

de presión. A fin de rellenar huecos entre estructuras y la roca, por

ejemplo en revestimientos y tapones de túneles, se recurre a las

llamadas inyecciones de contacto.

5.2.3.3. MEDIOS INYECTABLES

Dos son los tipos de materiales que interesa tratar: las rocas y los

depósitos de aluvión. Los defectos en las rocas son fisuras o conductos

Page 179: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

170

de disolución; en general, la permeabilidad intrínseca de la masa ígnea,

sedimentaria o metamórfica, es muy baja. Los depósitos de grava y

arena tiene una porosidad elevada (de 20 a 35 por ciento) por los

vacíos que dejan entre si las partículas sólidas. La estructura que

forman es muy variable en la naturaleza; la heterogeneidad es su

característica distintiva. Las mezclas o lechadas y los procedimientos

de inyección varían con el material.

5.2.3.4. MEZCLAS O LECHADAS

Los productos inyectables son de tres tipos: líquidos, suspensiones

inestables y suspensiones estables. Los primeros son soluciones de

silicato de sodio con un reactivo, resinas sintéticas o hidrocarburos. Los

segundos son lechadas de agua y cemento; la sedimentación en ellos

ocurre en cuanto cesa la agitación. Los terceros son mezclas de arcilla,

cemento y arena. Variando la dosificación de estos componentes y la

intensidad de la agitación se logra que la suspensión no sedimente

durante el proceso de inyección. A estas últimas mezclas se agregan

otros productos químicos en pequeñas cantidades, para regular el

fraguado o evitar contracciones.

Las fracturas de una roca se tratan con lechadas inestables; las

estables se emplean para los depósitos de aluvión grueso; los

productos químicos se emplean para llenar los huecos de arenas finas,

conglomerados o areniscas. La permeabilidad de suelos finos como

limos y arcillas es tan baja, que no tiene objeto un tratamiento de este

tipo. Para dar una idea de la penetrabilidad de las mezclas en función

de la granulometría del material, la Figura Nº 47, reproduce una gráfica

presentada por Camberfort (1964)

Page 180: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

171

Figura Nº47: TRATAMIENTO DE CIMENTACIONES ROCOSAS

Fuente: Presa de Tierra y Enrocamiento: Raul J. Marsal y Daniel Resendiz N.

5.2.3.5. FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Con base en las ideas del autor citado, se analizara la inyección de

fisuras con una suspensión inestable. Por razones que se exponen en

Page 181: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

172

el siguiente párrafo, salvo casos especiales, no se usan las

suspensiones estables. El sellado de la roca con lechadas de agua y

cemento es consecuencia de un proceso de sedimentación. Por tanto,

se necesita conocer la distribución de velocidades de la mezcla en las

grietas alimentadas desde una perforación de radio (r0). Los estudios de

W.J. Baker (1955) han permitido establecer fórmulas aproximadas para

determinar las condiciones de escurrimiento (laminar o turbulento) en

una fisura de ancho constante. A partir de ellas, es factible estimar la

abertura que sufre por causa de la presión aplicada, empleando la

teoría de la elasticidad (Boussinesq) con varias hipótesis simplificativas.

Por otra parte, suponiendo que el flujo es laminar y la roca

incompresible, la perdida de carga hidráulica resulta inversamente

proporcional al cubo del ancho de la grieta. Con estos conceptos,

Cambefort calcula la abertura de las fisuras en términos del número de

unidades Lugeon, de la longitud ensayada en la perforación

(progresión) y de la cantidad de fracturas interceptadas. Los valores

mostrados en el Cuadro Nº45 se tomaron del libro Injection des Sols.

Cuadro Nº45: TRATAMIENTO DE CIMENTACIONES ROCOSAS

Fuente: Presa de Tierra y Enrocamiento: Raul J. Marsal y Daniel Resendiz N.

A pesar de que los resultados de la tabla son aproximados,

proporcionan ideas sobre el mecanismo que opera en la inyección. La

roca finamente fisurada puede acusar una absorción elevada de agua y,

sin embargo, no ser susceptible de tratamiento con una lechada de

agua y cemento, porque los granos de este tienen un diámetro mayor

Page 182: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

173

que la abertura de las grietas. La correlación de los datos presentados

en el Cuadro Nº45, con la modulación de las fracturas estimada en los

corazones de la roca facilita la interpretación de las pruebas Lugeon.

De acuerdo con las investigaciones de Baker, la presión de inyección

decrece rápidamente hacia el interior de la grieta como se muestra en la

Figura Nº48 y, en consecuencia, la velocidad de escurrimiento del

fluido. Por otra parte, se sabe que a partir de cierta velocidad crítica las

partículas en suspensión empiezan a decantar, siendo dicha velocidad

tanto más alta cuanto mayor es la concentración de sólidos. Datos

experimentales demuestran que partículas de 0.05 mm tienen velocidad

de deposición del orden de 3 a 4 cm/seg y que es necesario aumentarla

a valores de 20 a 30 cm/seg para volverlas a poner en suspensión

(Cambefort, 1964).

Apoyado en esta información, Cambefort explica el sellado de una

grieta con una mezcla inestable mediante el proceso ilustrado en la

Figura Nº48. La sedimentación progresa en profundidad el principio y se

forma un depósito a corta distancia, el cual ocasiona una alteración

importante en la distribución de presiones. Las velocidades van

disminuyendo aguas arriba, decantándose los granos de cemento en el

tramo comprendido entre el primer tapo y la perforación. Esta teoría

concuerda con observaciones hechas en cortes de grietas inyectadas

para estudiar la distribución de las partículas de cemento.

Page 183: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

174

Figura Nº48: VARIACIÓN DEL PROCESO DE INYECCIÓN EN GRIETAS

Fuente: Presa de Tierra y Enrocamiento: Raul J. Marsal y Daniel Resendiz N.

5.2.3.6. PRESIONES DE INYECCIÓN

De acuerdo con las consideraciones anteriores, la presión durante el

inyectado juega un papel importante. En principio, es necesario operar

con las presiones más altas que resulten admisibles, para abrir las

Page 184: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

175

fisuras y penetrar a mayor profundidad. Sin embargo, hay limitaciones

sobre este particular; la principal es que no provoque el levantamiento

de las formaciones, con pérdida de lechada o daño a la roca. Cambefort

ofrece cálculos estimativos de las presiones que son tolerables en

masas de roca, aplicando formulas de la elasticidad; por ejemplo,

concluye que puede operarse con presiones de 16 kg/cm2 a 10 m de

profundidad y más de 70 kg/cm2 a partir de 20m bajo el nivel del

terreno. La técnica norteamericana toma como base le peso propio de

la roca y prescribe incrementos de la presión en función de la

profundidad, resultando valores de 2 y 4 kg/cm2 para los casos antes

considerados.

Los partidarios de la aplicación de altas presiones en rocas fisuradas

consideran que:

a) se abren las grietas finas por deformación de la roca, facilitando la

penetración de la mezcla, y

b) al abatirse la presión, la roca se descomprime estableciendo un buen

contacto con el producto inyectado.

5.2.3.7. NORMAS GENERALES

El tratamiento depende de las características que presentan las grietas

o soluciones de continuidad, cuando estas son de grandes

dimensiones, aparecen rellenos con arcillas o arenas y gravas se

plantea entonces el problema de dejar estos materiales o eliminarlos.

Esta última operación es difícil y costosa. Se requiere inyectar agua y

aire alternativamente, para provocar el desprendimiento y arrastre del

relleno; la limpieza es parcial, de manera que solo en casos muy

particulares ha sido recomendado.

Page 185: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

176

En calizas cársticas se localizan cavernas de grandes dimensiones; por

ejemplo, en las presas Benito Juárez, Oax., La Boca, N.L. y Presidente

Alemán, Oax., el relleno de concreto se hizo previa limpieza con agua a

presión; posteriormente, se ejecutaron inyecciones de cemento y agua.

Cuando las grietas que presenta la roca tienen aberturas variables entre

1cm. y varios decímetros, es usual el tratamiento preliminar a base de

una suspensión estable (arcilla o bentonita, cemento, silicato de sodio y

arena fina); se controla la cantidad a inyectar con la presión, duración y

consistencia de la mezcla. Después que este producto ha fraguado, se

reperforan los barrenos e inyecta lechada de cemento.

Las rocas fisuradas son tratadas exclusivamente con suspensiones

inestables, compuestas en general por la mezcla de agua y cemento.

La proporción de estos ingredientes es de gran importancia, pues si al

relación agua – cemento (A/C) es baja, los sólidos se sedimentan en

forma rápida y obturan las entradas de las grietas en la perforación;

cuando A/C es alta, la lechada penetra a gran profundidad sin ningún

objeto y puede provocar movimientos de la roca en la parte superior.

La inyección de mezclas inestables se suspende al alcanzar el rechazo,

o sea, la presión máxima que ha sido especificada con base en el tipo

de roca, fisuración y profundidad. Si la relación A/C se escoge en forma

adecuada, a gasto constante, la presión va creciendo paulatinamente

hasta llegar al rechazo. Sin embargo, normalmente no ocurre así, pues

es muy difícil seleccionar el valor A/C correctamente, o bien, no es

práctico variarlo con frecuencia durante el inyectado de un barreno.

Para escoger la relación agua – cemento, Cambefort recomienda tomar

como base el número de unidades Lugeon de las pruebas de absorción

previamente realizadas en la perforación. Las reglas que el citado autor

sugiere como guía para el encargado de inyecciones, son las

siguientes:

Page 186: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

177

De 1 a 2 Lugeons, comenzar el inyectado con A/C = 8 y llegar al

rechazo con 4.

De 2 a 5 Lugeons, iniciar con A/C = 8, pasar a 4 y obtener el rechazo

con 2, si este no se alcanza con el anterior valor de A/C.

De 5 a 10 Lugeons, empezar el trabajo con A/C = 4, continuar con 2, y

si el rechazo no ocurre aumentar A/C a 1.

Cuando la absorción de agua es mayor que 10 Lugeons, es

recomendable tratar previamente la roca con una suspensión estable.

El inyectado de las rocas agrietadas se realiza en barrenos de 5 cm. de

diámetro (broca AX o similar), distantes entre sí de acuerdo con

estimaciones hechas teniendo en cuenta el tipo de agrietamiento y la

presión de rechazo admisible. La operación se ejecuta por progresiones

5 m de abajo hacia arriba o de la superficie a la parte profunda. La

principal ventaja del primer método es que se independizan los trabajos

de perforación y de inyectado, pero requiere el uso de empaques u

obturadores. En algunas ocasiones se ha inyectado el barreno en toda

su longitud, recirculando la lechada para evitar la sedimentación; pero

tiene el inconveniente de no poderse ajustar la relación agua – cemento

de acuerdo a la fisuración de la roca.

5.2.3.8. TAPETES Y PANTALLAS

El plan de inyecciones con lechadas estables y suspensiones inestables

depende de las características de las soluciones de continuidad que

presenta la roca. En proyectos importantes por la altura de la presa o

por las condiciones desfavorables de la roca, es usual desarrollarlo en

dos etapas:

a) el tratamiento superficial bajo el núcleo impermeable mediante un

tapete de inyecciones, y

Page 187: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

178

b) el tratamiento profundo, desde la superficie o galerías, inyectado

perforaciones dispuestas según una o más líneas, para formas una

pantalla supuestamente impermeable.

Tapetes. Si la roca de cimentación es masiva y solo presente

ocasionalmente grietas importantes, el tratamiento superficial se

circunscribe al inyectado de dichas fracturas. Cada una intercepta con

barrenos perforados a ambos lados de la grieta y se inyecta con

lechada de cemento, a presiones estimadas con el criterio del U.S.

Bureau of Reclamation, o sea, a razón de un psi pie lineal de

profundidad; esta es del orden de 10 m y la operación se realiza en dos

progresiones de 5m, mediante el uso de empaques de cuero o hule.

Cuando la roca presenta fracturas y fisuras regulares en toda el área de

desplante del corazón impermeable, se proyecta un tapete de

perforaciones verticales o inclinadas, según el echado de las grietas,

distribuidas en una retícula; el esparcimiento entre barrenos es de 3m,

aproximadamente. Las lechadas son suspensiones inestables con

relación A/C variable de 2 a 10, y en ocasiones se requiere la adición de

arena fina, dependiendo de las características y dimensiones del

fracturamiento. La profundidad del tapete suele estar comprendida entre

5 y 10 m el inyectado se realiza en una o dos progresiones. Se aplican

las normas del USBR en cuanto a presión de inyectado.

Si el fracturamiento es tan intenso que para poder efectuar las

inyecciones de tapete se requiere cubrir la superficie con una losa de

concreto, ejercer un buen control de presiones durante el inyectado,

usando empaques y vigilar los niveles de la superficie de cimentación.

Pantalla. Están formadas por la inyección de una serie de

perforaciones, dispuestas en una o más líneas paralelas, bajo el

corazón impermeable; alcanzan profundidades que dependen

principalmente de las características geológicas del sitio y la carga de la

presa.

Page 188: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

179

En general, se acepta que la profundidad de la pantalla sea del orden

de la mitad de la carga hidráulica, a menos que otras circunstancias

(zonas fuertemente fracturadas en uno de los empotramientos,

presencia de contactos permeables gran profundidad, etc.) aconsejen

desviarse de esta regla empírica.

La inclinación y el esparcimiento de los barrenos dependen del módulo,

rumbo y echado del fracturamiento, y en su caso, de planos de

estratificación. Cuando el inyectado se realiza en un solo plano, se

acostumbra iniciar el tratamiento con perforaciones espaciadas cada

5m, y mediante los consumos de lechada registrados, determinar los

tramos en que deben intercalarse otras perforaciones. Con el mismo

criterio, en etapas sucesivas se decide dónde y a que profundidad debe

efectuarse el inyectado para lograr una mejor impermeabilización de la

roca. La práctica europea, además del método anterior, prefiere el uso

de barrenos inclinados en dos direcciones opuestas y contenidas en el

mismo plano de la pantalla, a fin de cubrir mejor los defectos de la

cimentación y verificar los efectos del inyectado en sus diversas fases,

atendiendo a los consumos de lechada y los resultados de pruebas

Lugeon.

En algunas presas se han realizado pantallas inyectando barrenos en

dos o tres planos, con las normas antes descritas. Existe gran

divergencia de opiniones a este respecto. Por ejemplo, Casagrande

(1961) presento, en la Primera Conferencia Rankine, evidencia

piezométrica, según la cual, la efectividad hidráulica * era prácticamente

nula en los pocos casos observados de pantallas realizadas inyectando

una sola línea de barrenos. No obstante, se continúan construyendo

pantallas de este tipo en una forma casi sistemática, salvo

cimentaciones en que los defectos de la roca son insignificantes (ASCE,

1972). Debe continuarse la observación de la efectividad en gran

número de presas antes de que pueda resolverse cuando es necesaria

la pantalla y como debe ejecutarse.

Page 189: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

180

5.2.3.9. COSTOS APROXIMADOS

De acuerdo a los archivos encontrados en la bibliografía, se tiene el

siguiente presupuesto estimado de inyección. Cuadro Nº46

Cuadro Nº46: PRESUPUESTO APROXIMADO DE INYECCIÓN DE CONSOLIDACIÓN

RENDIMIENTO T/DIA 2.4000 Costo unitario directo por US$: TON 338.13

CODIGO DESCRIPCION DE RECURSOS UNIDAD CUADRILLA CANTIDAD PRECIO US$. PARCIAL US$

0147000032 INYECTADOR HH 2.0000 6.6667 5.20 34.67

0147010003 AYUDANTE DE INYECTADOR HH 4.0000 13.3333 3.60 48.00

82.67

0202970002 BENTONITA TON 0.0520 770.64 40.07

0229030003 LIGNOSULFONATO KG 0.0230 0.46 0.01

0229030004 ARENA PARA INYECCION M3 1.0000 13.88 13.88

0229030005 AGUA M3 0.3750 5.00 1.88

0254110090 CEMENTO PORTLAND I TON 1.0500 125.50 131.78

187.62

0349880002 MANGUERAS, HIDROMETROS, MANOMETROS HM 1.0000 3.3333 0.51 1.70

0337020051 EQUIPOS DE INYECCION T/DIA 1.0000 3.3333 17.36 57.87

0337010001 HERRAMIENTAS MANUALES %MO 10.0000% 82.67 8.27

67.84

MANO DE OBRA

MATERIALES

EQUIPOS

De acuerdo con el consumo medio de cemento (kg/m): 300 kg/m (Fuente:

CYPE Ingenieros SA)

http://valencia.generadordeprecios.info/AMI/AMI010.html.

Se tiene que el costo de S/. 1,117 la tonelada o $. 335 el metro.

5.2.4. IMPERMEABILIDAD DE LA CIMENTACIÓN DE LA PRESA IRURO

Las condiciones de impermeabilidad del embalse están sujetas a los

aspectos topográficos, geológicos e hidrológicos.

Topográficamente el Vaso de Iruro se encuentra a una cota inferior con

relación a las cuencas de los alrededores NE y W, lo que asegura que las

fugas de agua en estas direcciones sean nulas.

Page 190: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

181

El mismo factor topográfico muestra que el Vaso se encuentra alto con

relación a las cuencas en el flanco sur o sea del final del Cañón hacía

aguas abajo del río Iruro, siendo este la única dirección de posibles fugas

de agua, especialmente hacía las cuencas vecinas aguas abajo del Cañón

que conforma el río Iruro.

El Vaso presenta buenas condiciones de impermeabilidad y la posible fuga

que agua que se producirá será por el lado sur del vaso o sea la que da a

la cuenca de Pucasalla. Este sector corresponde al lado del estribo

izquierdo de la Presa Iruro y en es sobre esta zona en la cual se ha

prolongado el cuerpo de Presa con su respectivo Plinto y en donde se

precisan inyecciones de impermeabilización debido a que en el Proceso

constructivo no fueron completadas en su totalidad.

El macizo rocoso de derrames volcánicos intercalados con Tufos y

Areniscas Tufáceas que predomina a lo largo del eje proyectado para la

Presa Iruro y por debajo del suelo coluvial o fluvio-aluvial en el área de

embalse (del tipo limo-areno-arcilloso) presenta diaclasas y fracturas con

una apertura no mayor a 5.0 mm que se encuentran rellenadas con arcilla y

que determinan una media a alta permeabilidad secundaria a través de las

fisuras y grietas de la roca.

De los resultados de los ensayos de Permeabilidad “in situ” realizados en

los 03 sondeos sobre el eje de Presa y que constituyen pruebas para

cuantificar la impermeabilidad de la cimentación luego de haber realizado

inyecciones de consolidación e impermeabilización en la etapa de

construcción de las década de los 80’, se ha determinado valores máximos

de permeabilidad de 1.0x10-3 cm/s hasta valores mínimos de 2.0X10-6

cm/s; con un valor medio para toda el área del cierre igual a 10-5 cm/s.

En la etapa de investigaciones geotécnicas definitivas (Década de los 60’ y

80’) para efectos de determinar la permeabilidad del subsuelo de

cimentación se realizaron muchas pruebas de Permeabilidad tipo Lugeón o

Page 191: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

182

Lefranc dependiendo del tipo de material; en cada uno de los sondajes

realizados, tanto en el embalse como en la zona de cierre.

Estas investigaciones proporcionaron una abundante y valiosa información

que concluían en términos generales que el valor medio de la

permeabilidad se encontraba en un calificación cualitativa semipermeable y

con un valor entre 10-4 cm/s a 10-5 cm/s.

Asimismo, indicaron claramente que a partir de los 40.0 m a 50.0 m de

profundidad con respecto al nivel del terreno, la permeabilidad aumentaba

notoriamente, siendo en este caso de calificación permeable y con un valor

medio de 10-4 cm/s. Inclusive se determinó mediante las investigaciones

con perforaciones diamantinas que en algunos sectores (Estribo izquierdo)

y a profundidad (Mayor a 40.0 m) existían vacíos o grietas de especial

importancia (oquedades en el suelo hasta de 3.0 m de espesor) que

permitirían una fácil fuga del agua y serían limitantes para la adecuada

impermeabilización del subsuelo de cimentación.

Esta situación fue ampliada, corroborada y complementada con los

Estudios Definitivos que se hicieron en la década de los 80´ por el

Consorcio OIST-INTECSA, donde ya se habla claramente de la presencia

de fallas y grietas en el eje de la Presa Iruro y que influye particularmente

en los valores de permeabilidad secundaria que se da exclusivamente a

través de las diaclasas del macizo rocoso de cimentación.

Esta información originó que en el Diseño y Construcción de la Presa Iruro

se tuviese especial importancia en la permeabilidad de la cimentación, la

cual se proyectó sellar en base a inyecciones de impermeabilización que

inicialmente se distanciaron 5.0 m y que finalmente terminaron hasta en 1.0

m. De hecho que este menor espaciamiento fue a requerimiento de los

resultados de las inyecciones de impermeabilización las cuales no

llegaban sellar y se consumían la lechada de agua-cemento sin lograr

sellar y sin presencia de rechazo.

Page 192: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

183

Una hipótesis para esta explicar esta situación es que las grietas y

diaclasas que se encuentran siempre desde la superficie del terreno en el

macizo rocoso de cimentación están interconectadas hasta profundidad

con las diaclasas a partir de los 40.0 m y donde se tiene una mayor

permeabilidad (Mayor cantidad de diaclasas) o en todo caso se tiene la

posibilidad de encontrar oquedades, grietas o fisuras de especial

importancia por donde se puede haber perdido gran parte de la lechada de

cemento inyectada al crearse un canal continuo por donde pudo haber

fluido libremente y sin ningún tipo de resistencia.

Por otro lado, los valores de permeabilidad encontrados con las

investigaciones de campo. realizados en el año 2009 no difieren

sustancialmente de los encontrados en las etapas de investigación

antecedente e inclusive luego de haber realizado inyecciones de

impermeabilización y consolidación durante el proceso constructivo de la

década de los 80’ por lo que una conclusión del estado actual de

impermeabilidad de la cimentación de la Presa Iruro es que aún no se ha

logrado sellar hasta los valores mínimos recomendados 10-6 cm/s y se

requiere aún continuar con los trabajos de inyección para

impermeabilización.

El valor promedio actual de la permeabilidad total en el macizo rocoso de la

cimentación (10-5 cm/s) se encuentra gobernado por la pérdida y filtración

de agua que se da a través de las grietas y fisuras; ya que la matriz de la

roca andesita en condiciones sanas es prácticamente impermeable.

Por las consideraciones anteriormente expuestas, se concluye lo siguiente:

a).- A lo largo del eje de Presa que comprende el cuerpo principal y los

estribos de la misma. La filtración de agua por debajo de la cimentación se

encuentra gobernada por la permeabilidad secundaria del macizo rocoso

de aglomerados volcánicos y tufos y areniscas tufáceas con valores

promedio de alrededor de 10.0-4 cm/s a 10.0-5 cm/s.

Page 193: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

184

b).- Se requiere complementar la impermeabilización de la cimentación que

queda por debajo del cuerpo principal de la Presa Iruro, utilizando para tal

efecto inyecciones de impermeabilización que parten del Plinto ya

construido.

La mayor problemática de filtración se da justo en el fondo del cauce del río

Iruro y sobre los flancos con afloramiento de roca volcánica donde el

fracturamiento es severo y existe un proceso de infiltración de aguas por un

medio secundario (Diaclasas y Fracturas con apertura de hasta 5.0 mm

rellenas de arcilla); sumado esto al hecho de que en esta zona se tiene la

mayor carga de agua actuando sobre el cuerpo de Presa e igual a 50.0 m.

En conclusión, las aguas que han de quedar almacenadas en la Presa

Iruro, se han de perder por filtración por debajo de la cimentación del

cuerpo principal de la Presa, como lo demostrado en la simulación, pero

esta no es considerable, estas pérdidas de agua se darán a través de un

medio cuya permeabilidad en promedio es igual a 10.0-5 cm/s; sin embargo

se requiere mayores estudios sobre la cimentación de la Presa.

5.3. DISEÑO DE LA IMPERMEABILIZACIÓN DE LA CIMENTACIÓN DE LA

PRESA

5.3.1. CONSIDERACIONES GENERALES

El requerimiento de inyecciones para la cimentación de la Presa Iruro, ha

tomado en cuenta los factores principales siguientes:

a).- Altura de la Presa

La Altura total de la Presa Iruro es igual e 50.0 m y la carga útil máxima de

agua es de 43.69 m. Se trata del proyecto de una Presa Alta para

almacenamiento anual de agua. La presión máxima transmitida por la

carga de agua al terreno de cimentación es igual a 5.00 Kg/cm2 y el

Page 194: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

185

gradiente hidráulico máximo que hace que el agua percole a través de la

cimentación es igual a:

H

iL

Donde:

i: Es el gradiente hidráulico que actúa por debajo de la cimentación

H: Es la diferencia de carga de agua, aguas arriba y debajo de la Presa

L: Es la longitud del recorrido del agua de filtración

Para el Proyecto de la Presa Iruro se tiene lo siguiente:

H = 50.0 m

L = 250.0 m

i = 0.200 m/m

De acuerdo a la altura de la Presa, la profundidad de influencia de las

inyecciones proyectadas debe alcanzar hasta un máximo de 50.0 m; el

cual, ha sido el valor que se ha utilizado en las inyecciones realizadas

durante la Fase de construcción de la Presa Iruro en la década de los 80’.

Las inyecciones de la fase de construcción se realizaron para perforaciones

con profundidades que van desde los 10.0 m hasta los 50.0 m.

b).- Permeabilidad de la roca

Los resultados de todas las Pruebas realizadas para la zona de cierre,

indican que los valores de permeabilidad de la cimentación oscila desde un

mínimo de 2.0x10-6 cm/s hasta un máximo de 10-4 cm/s y un valor promedio

de 10-5 cm/s; sin embargo, en algunos Sondajes realizados en la década de

los 60’ se han obtenido valores de permeabilidad altos (10-3 cm/s) que

indican la presencia de un material muy permeable y también oquedades

en el subsuelo, generalmente por debajo de los 40.0 m que han

determinado finalmente que las inyecciones de impermeabilización se

Page 195: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

186

hayan densificado por la imposibilidad del sellado en la etapa de

construcción de la Presa.

Esta última situación debido a que durante las inyecciones de lechada de

cemento no se ha podido lograr la obturación y el sellado integral del

subsuelo de cimentación y por consecuencia se mantiene la presencia de

rocas muy fracturadas donde los niveles de permeabilidad son aún altos y

con la posibilidad de que inclusive en las actuales condiciones, la fuga de

aguas a través de las diaclasas y fracturas se mantenga, por lo que se

deba proseguir con las inyecciones de impermeabilización en áreas

críticas, especialmente en el estribo izquierdo de la Presa Iruro.

El basamento rocoso de la Presa por debajo de la cobertura de tipo

residual y que luego de ser despalmada permite encontrar la roca

fracturada a una profundidad mínima de 1.0 m y a una profundidad máxima

de 2.0 m; se encuentra constituida básicamente por aglomerados

volcánicos del tipo andesita y basalto de color gris claro, cuya matriz tiene

una alta resistencia a la compresión simple (Mayor a 1,000 Kg/cm2).

Las fracturas tienen una apertura máxima de hasta 5.0 mm y en un gran

porcentaje se encuentran cerradas o rellenadas con algo de arcilla de color

marrón; sin embargo, las pruebas de permeabilidad en campo demuestran

que este relleno no contribuye sustancialmente a la impermeabilización

completa de las juntas por lo que los valores de permeabilidad no son

generalmente menores a 10-5 cm/s y constituyen una potencial pérdida de

agua por filtraciones particularmente para cargas de agua altas, como es

en el caso de la Presa Iruro.

Los valores de permeabilidad del subsuelo de la cimentación se encuentran

en términos generales entre 10-4 cm/s a 10-5 cm/s muy distantes del valor

mínimo requerido de 10-6 cm/s con el cual es posible asegurar la

estanqueidad de la zona de cierre; por lo que se concluye inicialmente que

dadas las actuales condiciones aún es necesario recomendar y proyectar el

Page 196: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

187

sellado del subsuelo de cimentación mediante la utilización de Inyecciones

de impermeabilización.

Las perforaciones y pruebas de permeabilidad realizadas a partir de los

40.0 m indican claramente que los valores de permeabilidad son Altos (10-4

cm/s) e inclusive con la presencia de grietas, fracturas y oquedades que

determinan una mayor problemática de infiltración del agua almacenada.

c).- La tolerancia del caudal filtrado a través de la cimentación

El valor medio de la permeabilidad de la cimentación es 10-5 cm/s. Con este

dato y el gradiente hidráulico que actúa en la cimentación de la Presa se

calcula utilizando la Ley de Darcy la velocidad de la pérdida de agua, con la

expresión siguiente:

.V K i

Donde:

V: Es la velocidad de filtración del agua a través de la cimentación de la

Presa.

K: Es la permeabilidad promedio de la cimentación de la Presa.

i: Es el gradiente hidráulico que actúa sobre la cimentación de la Presa.

Reemplazando los datos siguientes:

K = 10-5 cm/s

i = 0.200 m/m

Se obtiene una velocidad igual a 0.1728 cm/día Este valor obtenido es

mucho MENOR que el límite permisible del orden de 2.50 cm/día a 5.0

cm/día (Valor basado en bibliografía especializada, experiencias y trabajos

similares realizados por el Consultor) y del valor hallado en la simulación,

por lo que queda claro que en estas condiciones se produce una filtración

moderada a través de la cimentación de la Presa.

Esta situación debe ser controlada a través de inyecciones de

consolidación en el flanco izquierdo de la Presa Iruro.

Page 197: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

188

CAPÍTULO VI – CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

6.1. CONCLUSIONES

Según el modelamiento numérico bidimensional realizado, existe un caudal

unitario de infiltración promedio bajo la cimentación de la Presa Iruro de q =

6.012E-05 m3/seg/m y una velocidad promedio 3.713 cm/día, lo que indica

una velocidad de infiltración moderada.

La principal limitación del diseño de la pantalla de impermeabilización de la

Presa Iruro radica en que en los tres Sondajes realizados por perforación

rotativa y que han alcanzado hasta una profundidad de 40.0 m no se ha

encontrado el basamento rocoso madre sana y que determinaría un nivel

de impermeabilización igual a cero.

En los Sondeos realizados en Fases anteriores la roca presenta un

fracturamiento medianamente marcado con valor de RDQ no mayor a 50%

y con una permeabilidad promedio marcadamente mayor a 10-5 cm/s. Esta

situación determina que en los 50.0 m de subsuelo investigado y a una

profundidad mayor no establecida, el agua almacenada en la Presa pueda

perderse por filtración subterránea debido a la inexistencia de un

basamento roca madre sano e impermeable y a que las actuales

condiciones de sellado con las inyecciones de impermeabilización

realizadas en la década de los 80’ no ha sido en su totalidad.

La cimentación de la Presa Iruro puede presentar excesiva pérdida de agua

por las puntas, fisuras, hendiduras, diaclasas, grietas y a lo largo de los

planos de falla. Por lo que se hace necesario continuar la

impermeabilización de la misma hasta una profundidad mínima igual a la

carga útil máxima de agua (Recomendación del USBR en su Libro: Diseño

de Presas Pequeñas) basada en inyecciones con lechada de cemento.

Page 198: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

189

6.2. RECOMENDACIONES

Existe la necesidad de realizar investigaciones complementarias durante la

ejecución de la Presa, consistente en por lo menos tres perforaciones con

pruebas de inyección e impermeabilización justo en el cauce del río hasta

una profundidad de 50.0 m y que permita definir claramente donde se

encuentra el basamento madre de roca sana e impermeable o el grado de

fracturamiento de la roca con sus respectivos valores de permeabilidad a

efectos de definir el Programa más adecuada para inyecciones de

impermeabilización.

Las presiones de inyectado deben ser las máximas que la roca aguanta sin

que sus fisuras o grietas se abran por efecto de la penetración de la

lechada. No existen reglas que proporcionan los valores de un modo fijo,

pero por recomendación general este valor de presión no debe ser mayor a

10 veces el valor de la presión de confinamiento de la roca en un punto

determinado por lo que se recomienda que el valor mínimo al inicio del

inyectado se establezca igual a 5.0 Kg/cm2 y luego se vaya corrigiendo el

mismo por efecto de los resultados que se vayan encontrando durante la

operación.

Una excesiva presión de inyectado puede originar la falla del conjunto de

fisuras que se encuentra dentro del macizo rocoso de cimentación; por lo

que es necesario ir paulatinamente aumentando el valor de la presión de

inyectado dependiendo de la respuesta que se obtenga en la absorción de

la lechada de cemento durante las inyecciones. Una absorción excesiva de

lechada de cemento en un punto de inyección determina que se ha

producido la falla de la estructura del macizo rocoso y se requiere bajar la

presión de inyectado para ajustarlo hasta el valor límite.

La lechada de cemento ha de consistir en una proporción en volumen de

agua - cemento igual a 5:1 y debe inyectarse en cada punto hasta que se

consiga el rechazo de admisión de la misma o hasta que en la perforación

Page 199: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

190

el macizo rocoso de cimentación no tome más de unos 30 Lt. de lechada

en 5.0 minutos, bajo una misma presión de inyectado.

Page 200: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

191

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Page 201: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

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MINISTERIO DE AGRICULTURA Y PESQUERÍA, DIRECCIÓN GENERAL DE AGUAS E IRRIGACIÓN, DIRECCIÓN DE IRRIGACIÓN, SUB- DIRECCIÓN DE PROYECTOS, DIVISIÓN DE REPRESAS Y CIMENTACIONES, DEPARTAMENTO DE EXPLORACIONES DE MECÁNICA DE SUELOS Informe Técnico N° 16 Proyecto Acarí – Represamiento del río Iruro - Estudios complementarios de investigación de áreas de préstamo - Lima, noviembre de 1969.

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DE LA UNIVERSIDAD NACIONAL DE CÓRDOVA Modelos analíticos y numéricos para la determinación de infiltración en Presas de Material suelto, análisis de su uso y sensibilidad – Argentina 2001

SECRETARIA GENERAL DE OBRAS DEL DEPARTAMENTO DEL DISTRITO FEDERAL Manual de Exploración Geotécnica, México - (1988).

SLIDE V.6.0

Manual Slide v. 6.0.

UNITED STATES DEPARTMENT OF THE INTERIOR - BUREAU OF RECLAMATION Desing of Small Dams – Third Edition, 1987.

Page 202: Calculo de Infiltración Bidimensional - Presa Iruro

193

ANEXOS

1. PLANO Nº1: PGL – 01: GEOLOGIA LOCAL DEL ÁREA DE ESTUDIO.

2. PLANO Nº2: PG – 03: PLANO GEOLOGICO SITIO PRESA IRURO.

3. PLANO Nº3: DE – 01: DISTRIBUCIÓN DE ESTRUCTURAS EN LA PRESA

IRURO.

4. PLANO Nº4: PUI – 01: UBICACIÓN DE LOS PUNTOS DE PERFORACIÓN

PARA LAS INVESTIGACIONES REALIZADAS.

5. PLANO Nº5: LEP – 01: LINEAS DE ESTUDIO PROPUESTOS PARA EL

ANÁLISIS DE INFILTRACIÓN.

6. PLANO Nº6: PGA – 01: PERFILES GEOLÓGICOS PLANTEADOS PARA

EL ANÁLISIS.

7. PLANO Nº7: PN – 01: PLANTEMIENTO NUMERICO PARA EL

DESARROLLO DE CALCULO DE INFILTRACIÓN.

8. PLANO Nº8: G – 2A: PERFIL GEOLÓGICO Y SONDAJES DIAMANTINOS

DE LA BOQUILLA

9. PLANO Nº9: G – 2B: PERFIL GEOLÓGICO Y SONDAJES DIAMANTINOS

DE LA BOQUILLA

10. VALORES DE VELOCIDAD NODAL DE LOS ELEMENTOS FINITOS