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PRESA DE ENROCADO CON PANTALLA DE HORMIGÓN, ANÁLISIS Y COMPORTAMIENTO CON EL CÓDIGO PLAXIS

José Gabriel Rodriguez Roca, Ariel René Bustamante Chávez Daniel Trigo Kaempfe, Pedro Dubravcic Alaiza

GeoHidra Ingenieros Consultores SRL, Secretaria de Recursos Naturales y Medio Ambiente Prefectura de Tarija, Laboratorio de Geotecnia UMSS

Av. Heroínas O-165, Telf. (591)-4-4256287 / (591)-71709244 bustamanteariel@gmail.com

RESUMEN: La presa de enrocado con pantalla de hormigón es una opción económica y segura de presa. La necesidad de construcción de presas más altas llama a un análisis más comprensivo y complejo. La obtención de los parámetros geomecánicos y la ley constitutiva del enrocado condicionan los resultados del comportamiento, para definir el emplazamiento y comportamiento geotécnico, estructural de la presa en diferentes condiciones, tanto estáticas como dinámicas. El análisis implicó la comprensión de las hipótesis y condiciones de borde para los datos y la modelación en PLAXIS, ajustando a los datos de la presa Segredo (Brasil), cuya comparación de datos medidos versus calculados se obtuvo una buena correlación. A partir de ello y salvando diferencias, se aplicó a la presa de Huacata (Bolivia) por la similaridad de las características geotécnicas-estructurales obteniéndose resultados satisfactorios. Palabras claves: Enrocado, ley constitutiva, comportamiento, modelación numérica.

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INTRODUCCION

El tipo de presa de escollera compactado con pantalla de hormigón (PEPH o CFRD) ha dejado de ser una “nueva tendencia” a partir de los años 70 del siglo pasado para constituirse en una alternativa adecuada técnica y económicamente con respecto a las presas de escolleras con núcleo así como también, a las presas de hormigón. La sencillez en la construcción da como resultado un comportamiento excelente y la resistencia a las solicitaciones sísmicas hacen de esta alternativa una respuesta ventajosa en la mayoría de los casos.

El Proyecto Huacata está ubicado al norte de la ciudad de Tarija, en las alturas de las

comunidades de Huacata, Casa Cancha y Zapatera, sector que corresponde a las partes altas del proyecto, es decir, donde se ubica la presa, toma y túnel de trasvase, bajando hacia el sur por las laderas del río Corana, donde se ubica el canal de aducción, tubería forzada y casa de máquinas de la central hidroeléctrica, para continuar en el valle del río Guadalquivir hasta los sectores de riego y futura planta de tratamiento de aguas. Todo el proyecto se encuentra dentro de las siguientes coordenadas: 21º 15’ y 21º 31’ de latitud sur, 65º 42’ y 65º 50’ de longitud oeste.

La Presa Huacata forma parte del sistema de aprovechamiento de las aguas del rió del

mismo nombre a través de un trasvase primero a una quebrada afluente del rió y después un trasvase ínter-cuenca hacia el rió Corana. La presa tiene una altura de 28 metros y una longitud de 144 metros.

El estudio consistió en analizar y verificar los parámetros utilizados del Diseño Final,

actualmente se realiza el monitoreo y control de la selección y gradación del material, grado de compactación y desplazamientos (asentamientos) principalmente.

GEOLOGIA DEL LUGAR

El sitio de presa, tiene en general una cubierta cuaternaria de tipo coluvial, escasa y delgada que cubre estratos finos de limolitas silicificadas duras y lutitas de la Formación Obispo de edad Ordovícica. Las limolitas se caracterizan por tener delgadas intercalaciones onduladas de cuarzo blanquecino, que proporciona la dureza encontrada en los estratos. Estas rocas son en general bien estratificadas y silicificadas, aflorando en grandes extensiones, con la parte superficial meteorizada y fracturada. A continuación se presenta una imagen de la zona del proyecto.

Figura 1 Cuenca de los Ríos Quebrada Negra y Huacata Sitio de Presa

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El apoyo izquierdo, está formado por una ladera con una pendiente promedio de 20º, con sectores cubiertos por un delgado material coluvial compuesto por fragmentos de limos arenosos. La mayor parte de esta ladera presenta afloramientos de este tipo de macizo rocoso. El apoyo derecho, está también conformado por una ladera de pendiente promedio regular de 25°, con pequeñas áreas con cubierta coluvial delgada. La mayor parte de esta ladera, presenta afloramientos rocosos, compuestos por lutitas duras y meteorizadas en superficie. Las características geotécnicas de estas lutitas, han sido determinadas por la evaluación en laboratorio de los testigos de roca recuperados en los sondeos.

Figura 2 Sondeos en los estribos

CARACTERISTICAS DE LA PRESA HUACATA

Un resumen de la información más relevante del proyecto de la Presa Huacata, es presentado

a continuación:

Tabla 1. Resumen características principales del proyecto Cuenca del río Casa Cancha 13.10 Km2 Avenida Máxima río Casa Cancha en 1,000 años 68.60 m3/seg. Cuenca de Trasvase del río Huacata 48.80 Km2 Avenida Máxima río Huacata en 1,000 años 2796.00 m3/seg. Volumen Total del Embalse 11,210.799 m3 Volumen Útil del Embalse 10,867.750 m3 Longitud del Coronamiento 415 m Ancho del Coronamiento 6.50 m Bordo Libre con Parapeto de 1.50 m 2.00 m Altura de la Presa 24 m Talud Aguas Arriba 1.4H:1.0V Talud Aguas Abajo 1.4H:1.0V

Fuente: Elaboración propia

Las características de la presa, están definidas con taludes de 1.4H:1.0V tanto aguas arriba como aguas abajo. El cuerpo de la presa está constituido por dos zonas de enrocado la zona 3B y la zona 3C, que presentan similares parámetros geomecánicos de diferente composición granulométrica. También incluye dos zonas de transición de enrocado hacia la membrana impermeable en el talud aguas arriba, la zona 2B y la zona 3A con un ancho de 2.0 m. cada una. La membrana impermeable de HºAº tiene un espesor de 0.25m y está apoyada sobre la transición 2B.

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En el talud aguas abajo estará protegido por una capa de Rip Rap. La Figura 1 muestra las características principales relacionadas con la geometría de la presa Huacata.

Figura 3 Corte transversal sección máxima, Presa Huacata

A continuación se presenta el área de inundación:

Figura 4 Área de inundación

El enrocado es el material de construcción del cuerpo de la presa y esta dividido en diferentes zonas que son colocadas en función a la disposición de esfuerzos y deformaciones que tendrá el cuerpo y sirve de apoyo a la pantalla de hormigón. El siguiente acápite explica como se estimaron los parámetros que se aplicaron al modelo matemático, los cuales se validan y corrigen en la construcción.

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DETERMINACION DE PARÁMETROS Los criterios para la determinación de parámetros geomecánicos de la fundación siguieron el siguiente esquema:

La determinación de los parámetros geomecánicos del enrocado paso por un exhaustivo análisis de literatura especialaza de presas de materiales granulares. Como aplicación practica se utilizo el criterio de Douglas (1) quien ha realizado una extensa investigación tomando en cuenta más de 870 ensayos triaxiales y de corte directo. El resultado de esta investigación resulta en dos leyes y parámetros geomecánicos en función de las propiedades que describen el suelo grueso y la escollera. Douglas, presento las siguientes ecuaciones: a. Calculo del Angulo de fricción secante directamente

( )cnba σθ .+= Ecuación 1

b. Calculo del ángulo de fricción secante en función de los esfuerzos principales

ασσ 31 RFI= Ecuación 2

Obteniendo las siguientes curvas Angulo de Fricción Interno Secante del Enrocado vs. Esfuerzo Efectivo Normal, resultados que siguen el criterio de la figura que se presenta posteriormente.

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0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

10 100 1000

Esfuerzo efectivo normal (KPa)

Ang

ulo

de fr

icci

on

ANGULO DE FRICCION SECANTE

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

1 10 100 1.000

ESFUERZO NORMAL (KPa)

ANG

ULO

DE

FRIC

CIO

N SE

CANT

E

Figura 5 Curvas Angulo de Fricción Vs. Esfuerzo efectivo Normal para las ecuaciones a y b

Barton et al (2), describe en la Figura que se presenta a continuación el concepto generalizado que se aplica a presas de materiales granulares compactados. Estos se ajustan a los resultados presentados por Douglas (1).

Figura 6 Variación del ángulo de fricción en el cuerpo de la presa

Por lo tanto, los resultados que se aplicaron al modelo son los siguientes:

Tabla 2 Parámetros utilizados a los materiales

Materiales Peso especifico, γ [KN/m3]

Strength Type

Cohesión, c [KN/m2]

Angulo de fricción, ϕ [°]

Fundación 25 M-C 1542 51.46 Membrana de HA 24 M-C 5800 40.00

Rip Rap 20 M-C 0 55.00 Zona 2B 19 M-C 0 42.50 Zona 3A 19 M-C 0 42.80 Zona 3B 22 M-C 0 45.00 Zona 3C 22 M-C 0 45.00

Agua 10 No strength - -

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MODELO CONSTITUTIVO El modelo constitutivo del enrocado, aún sigue por diversos procesos de investigación con el fin de comprender el comportamiento que presenta en función al material, ya sea material aluvial o triturado como es presentado a continuación en la siguiente figura:

Figura 7 Enrocado

La ley constitutiva del enrocado tiene una trayectoria esfuerzo-deformación impuesta por el tipo de material y la metodología de construcción. Los estudios de varios autores reflejan que el modelo que mejor se ajusta al comportamiento del enrocado es el Modelo Elasto-Ideal Plástico con endurecimiento, definido en el PLAXIS como el Hardening Soil Model (HSM). Este modelo describe como el grado de compactación del enrocado influye en la determinación de los desplazamientos totales, tanto en la etapa de construcción y de operación. A continuación se presenta la siguiente figura que representa el campo de esfuerzos del geomaterial.

Figura 8 Superficie de fluencia del modelo elasto ideal-plástico – Hardening Soil Model

Por tanto, el colocado y compactado del enrocado, es parte importante de la definición del tipo de comportamiento que tendrá la presa de material suelto en construcción y operación.

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GEOMETRÍA DEL MODELO NUMÉRICO A continuación, se presenta la geometría del modelo numérico y los modelos constitutivos adoptados para los diferentes geomateriales.

Figura 9 Geometría y modelos constitutivos de la Presa Huacata

RESULTADOS DE LA MODELACION

El modelo matemático se aplico para comprender el comportamiento que tendrá la Presa Huacata con las características descritas anteriormente. A continuación se indican los conceptos estudiados en el modelo que ahora se aplican en la construcción.

1. Secuencia de construcción,

2. Asentamientos y deformaciones máximas, en la etapa de construcción y el primer llenado del reservorio.

Según la literatura el asentamiento máximo es 1% de la altura de la presa, es decir, 0.24 cm. para Huacata. Con el modelo numérico se obtuvo 21 cm.

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3. Estabilidad de taludes, la figura presentada indica la zona con posibles problemas de estabilidad

A continuación se presentan los resultados del análisis de estabilidad.

Resultados Factor de Seguridad

Paramento Aguas Caso critico Arriba Abajo

Embalse lleno con sismo 5,482 1,246

4. Análisis de la pantalla de inyección y flujo subterráneo,

4.1 Líneas equipotenciales del flujo subterráneo,

5. Comportamiento de la pantalla de hormigón.

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MONITOREO EN CAMPO

Actualmente se construye la Presa Huacata, siguiendo las recomendaciones de la experiencia internacional, hasta el momento no se han identificado problemas con el manejo de material, empero, se hace un control y monitoreo detallado de la granulometría del material y del grado de compactación que corresponde a cada zona.

A continuación se presentan dos imágenes del estado actual de la construcción de la

presa.

Figura 10 Compactado de las zonas 3A y 3B

CONCLUSIONES

1. El PLAXIS es una herramienta útil para el cálculo del campo de esfuerzos y deformaciones de una presa.

2. La ley constitutiva elasto-plástica con endurecimiento para el enrocado, y el elasto-plástico para la fundación y la pantalla de impermeabilización son adecuados para la determinación de los campos de esfuerzos y deformación.

3. El algoritmo y la ley constitutiva adoptados han sido validados por medio del cálculo de las deformaciones medidas de la Presa.

RECOMENDACIONES

4. Se recomienda hacer un seguimiento permanente en la preparación de los materiales en las diferentes zonas, así como también, la realización de ensayos físicos previos a la construcción de la presa para determinar curvas granulométricas índice de porosidad, forma de las partículas, etc.

5. Se considera continuar con un estudio de cimentación de presas, cuantificando los datos históricos de cimentaciones de presas existentes y tener una base de datos, si es posible crear una nueva clasificación geomecánica.

6. Se considera continuar con el análisis del comportamiento de la presa CFRD considerando cargas dinámicas (sismos).

7. Se considera analizar en tres dimensiones la pantalla de hormigón.

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AGRADECIMIENTOS

Agradecemos a la Empresa GeoHidra Ingenieros Consultores SRL por definir la línea base en el diseño y construcción del Proyecto Múltiple Huacata. Asimismo a los encargados de la Secretaria de Recursos Naturales y Medio Ambiente Prefectura del Departamento de Tarija. BIBLIOGRAFIA

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BARTON NICK AND BJORN KJAERNSLI (1970), “Shear strength of rockfill”. Journal of the geotechnical

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8.2 Professional Version Plaxis B.V., Delf. PERE PRAT y ANTONIO GENS (2003), Leyes de Comportamiento de Materiales, Curso de Master, Métodos

Numéricos para Cálculo y Diseño en Ingeniería, Barcelona, Febrero. ROBIN FELL, PATRIK MacGREGOR, DAVID STAPLEDON & GRAEME BELL (2005) Geotechncal

Engineering of Dams, Taylor & Francis Group plc, London, UK, Great Britain. SABOYA FERNANDO JR. (2003), “Performance Prediction of a High Rockfill Embankment Using the Spatial

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