PRESA DE ENROCADO CON PANTALLA DE HORMIGÓN, ANÁLISIS Y COMPORTAMIENTO CON EL CÓDIGO PLAXISJosé 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 [email protected] 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. 1 Las limolitas se caracterizan por tener delgadas intercalaciones onduladas de cuarzo blanquecino. es decir. grado de compactación y desplazamientos (asentamientos) principalmente. tiene en general una cubierta cuaternaria de tipo coluvial. toma y túnel de trasvase. que proporciona la dureza encontrada en los estratos. donde se ubica la presa. donde se ubica el canal de aducción. Estas rocas son en general bien estratificadas y silicificadas. Casa Cancha y Zapatera.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. El Proyecto Huacata está ubicado al norte de la ciudad de Tarija. 65º 42’ y 65º 50’ de longitud oeste. Figura 1 Cuenca de los Ríos Quebrada Negra y Huacata Sitio de Presa 2 . 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. en las alturas de las comunidades de Huacata. A continuación se presenta una imagen de la zona del proyecto. tubería forzada y casa de máquinas de la central hidroeléctrica. bajando hacia el sur por las laderas del río Corana. para continuar en el valle del río Guadalquivir hasta los sectores de riego y futura planta de tratamiento de aguas. con la parte superficial meteorizada y fracturada. actualmente se realiza el monitoreo y control de la selección y gradación del material. aflorando en grandes extensiones. 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. a las presas de hormigón. GEOLOGIA DEL LUGAR El sitio de presa. La presa tiene una altura de 28 metros y una longitud de 144 metros. escasa y delgada que cubre estratos finos de limolitas silicificadas duras y lutitas de la Formación Obispo de edad Ordovícica. Todo el proyecto se encuentra dentro de las siguientes coordenadas: 21º 15’ y 21º 31’ de latitud sur. sector que corresponde a las partes altas del proyecto. El estudio consistió en analizar y verificar los parámetros utilizados del Diseño Final. La mayor parte de esta ladera. la zona 2B y la zona 3A con un ancho de 2.25m y está apoyada sobre la transición 2B. compuestos por lutitas duras y meteorizadas en superficie. con sectores cubiertos por un delgado material coluvial compuesto por fragmentos de limos arenosos.00 m3/seg. Figura 2 Sondeos en los estribos CARACTERISTICAS DE LA PRESA HUACATA Un resumen de la información más relevante del proyecto de la Presa Huacata.210. 48.000 años Volumen Total del Embalse Volumen Útil del Embalse Longitud del Coronamiento Ancho del Coronamiento Bordo Libre con Parapeto de 1. Las características geotécnicas de estas lutitas.80 Km2 2796. 3 .El apoyo izquierdo.4H:1.00 m 24 m 1.0V Las características de la presa.10 Km2 68. presenta afloramientos rocosos. están definidas con taludes de 1. cada una.50 m 2.50 m Altura de la Presa Talud Aguas Arriba Talud Aguas Abajo Fuente: Elaboración propia 13. está también conformado por una ladera de pendiente promedio regular de 25°.4H:1. con pequeñas áreas con cubierta coluvial delgada.867. El apoyo derecho. 11. está formado por una ladera con una pendiente promedio de 20º.60 m3/seg.750 m3 415 m 6.0V 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.4H:1.799 m3 10. La membrana impermeable de HºAº tiene un espesor de 0. También incluye dos zonas de transición de enrocado hacia la membrana impermeable en el talud aguas arriba.0V 1. es presentado a continuación: Tabla 1. La mayor parte de esta ladera presenta afloramientos de este tipo de macizo rocoso.000 años Cuenca de Trasvase del río Huacata Avenida Máxima río Huacata en 1. Resumen características principales del proyecto Cuenca del río Casa Cancha Avenida Máxima río Casa Cancha en 1. que presentan similares parámetros geomecánicos de diferente composición granulométrica. han sido determinadas por la evaluación en laboratorio de los testigos de roca recuperados en los sondeos.0 m. 4 . La Figura 1 muestra las características principales relacionadas con la geometría de la presa Huacata. 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.En el talud aguas abajo estará protegido por una capa de Rip Rap. El siguiente acápite explica como se estimaron los parámetros que se aplicaron al modelo matemático. los cuales se validan y corrigen en la construcción. Figura 3 Corte transversal sección máxima. 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. Esfuerzo Efectivo Normal. presento las siguientes ecuaciones: a.σ n ) Ecuación 1 b. Calculo del ángulo de fricción secante en función de los esfuerzos principales α σ 1 = RFIσ 3 Ecuación 2 Obteniendo las siguientes curvas Angulo de Fricción Interno Secante del Enrocado vs. Douglas. resultados que siguen el criterio de la figura que se presenta posteriormente.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. 5 . Calculo del Angulo de fricción secante directamente c θ = (a + b. 00 20. ϕ [°] 51.00 0. Figura 6 Variación del ángulo de fricción en el cuerpo de la presa Por lo tanto.00 10 100 Esfuerzo efectivo normal (KPa) 1000 ANGULO DE FRICCION SECANTE 60.00 10.ANGULO DE FRICCION SECANTE 60.00 1 10 100 1.50 42.46 40.000 ESFUERZO NORMAL (KPa) Figura 5 Curvas Angulo de Fricción Vs.00 20.00 Angulo de friccion 40.00 0.00 42.00 55. c [KN/m2] 1542 5800 0 0 0 0 0 - Angulo de fricción.00 70. describe en la Figura que se presenta a continuación el concepto generalizado que se aplica a presas de materiales granulares compactados. los resultados que se aplicaron al modelo son los siguientes: Tabla 2 Parámetros utilizados a los materiales Materiales Fundación Membrana de HA Rip Rap Zona 2B Zona 3A Zona 3B Zona 3C Agua Peso especifico. γ [KN/m3] 25 24 20 19 19 22 22 10 Strength Type M-C M-C M-C M-C M-C M-C M-C No strength 6 Cohesión.00 10. Esfuerzo efectivo Normal para las ecuaciones a y b Barton et al (2).00 30. Estos se ajustan a los resultados presentados por Douglas (1).00 45.00 50.00 40.00 30.00 50.80 45.00 - . tanto en la etapa de construcción y de operación. 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.MODELO CONSTITUTIVO El modelo constitutivo del enrocado. 7 . definido en el PLAXIS como el Hardening Soil Model (HSM). 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. 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. Este modelo describe como el grado de compactación del enrocado influye en la determinación de los desplazamientos totales. 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. aún sigue por diversos procesos de investigación con el fin de comprender el comportamiento que presenta en función al material. 1. Con el modelo numérico se obtuvo 21 cm. 0. Según la literatura el asentamiento máximo es 1% de la altura de la presa. 2. para Huacata. Asentamientos y deformaciones máximas. Secuencia de construcción. en la etapa de construcción y el primer llenado del reservorio. A continuación se indican los conceptos estudiados en el modelo que ahora se aplican en la construcción.GEOMETRÍA DEL MODELO NUMÉRICO A continuación. 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. se presenta la geometría del modelo numérico y los modelos constitutivos adoptados para los diferentes geomateriales. es decir. 8 .24 cm. Análisis de la pantalla de inyección y flujo subterráneo. Comportamiento de la pantalla de hormigón.3. Factor de Seguridad Paramento Aguas Arriba Abajo 5. 9 . 5. Estabilidad de taludes.1 Líneas equipotenciales del flujo subterráneo. 4.482 1.246 Resultados Caso critico Embalse lleno con sismo 4. la figura presentada indica la zona con posibles problemas de estabilidad A continuación se presentan los resultados del análisis de estabilidad. RECOMENDACIONES 4. 3. Se recomienda hacer un seguimiento permanente en la preparación de los materiales en las diferentes zonas. hasta el momento no se han identificado problemas con el manejo de material. forma de las partículas. 2.MONITOREO EN CAMPO Actualmente se construye la Presa Huacata. 6. El PLAXIS es una herramienta útil para el cálculo del campo de esfuerzos y deformaciones de una presa. se hace un control y monitoreo detallado de la granulometría del material y del grado de compactación que corresponde a cada zona. empero. etc. cuantificando los datos históricos de cimentaciones de presas existentes y tener una base de datos. Se considera continuar con un estudio de cimentación de presas. Se considera continuar con el análisis del comportamiento de la presa CFRD considerando cargas dinámicas (sismos). si es posible crear una nueva clasificación geomecánica. siguiendo las recomendaciones de la experiencia internacional. A continuación se presentan dos imágenes del estado actual de la construcción de la presa. 7. El algoritmo y la ley constitutiva adoptados han sido validados por medio del cálculo de las deformaciones medidas de la Presa. y el elastoplástico para la fundación y la pantalla de impermeabilización son adecuados para la determinación de los campos de esfuerzos y deformación. la realización de ensayos físicos previos a la construcción de la presa para determinar curvas granulométricas índice de porosidad. 5. La ley constitutiva elasto-plástica con endurecimiento para el enrocado. Se considera analizar en tres dimensiones la pantalla de hormigón. 10 . Figura 10 Compactado de las zonas 3A y 3B CONCLUSIONES 1. así como también. ROBIN FELL. B. DAVID STAPLEDON & GRAEME BELL (2005) Geotechncal Engineering of Dams. Brazil. Assistant Professor. SABOYA FERNANDO JR.S Army Engineers. State University of Norte Fluminense Darcy Ribeiro. Taylor & Francis Group plc.. BARTON NICK AND BJORN KJAERNSLI (1970).AGRADECIMIENTOS Agradecemos a la Empresa GeoHidra Ingenieros Consultores SRL por definir la línea base en el diseño y construcción del Proyecto Múltiple Huacata. A. (2002) PLAXIS Finite Element Code for Soil and Rock Analyses. PERE PRAT y ANTONIO GENS (2003). The University of New South Wales. PATRIK MacGREGOR. (2003).V. Campos. Sydney. Curso de Master. Great Britain. RJ. The Shear Strength of Rock Masses. Barcelona. School of Civil and Environmental Engineering. 8. Asimismo a los encargados de la Secretaria de Recursos Naturales y Medio Ambiente Prefectura del Departamento de Tarija. 11 . “Performance Prediction of a High Rockfill Embankment Using the Spatial Mobilized Plane Model”. Métodos Numéricos para Cálculo y Diseño en Ingeniería. Delf. Febrero. “Shear strength of rockfill”.2 Professional Version Plaxis B. Journal of the geotechnical engineering division. Australia. A Thesis Submitted in Partial Fulfilment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy. J. UK. BIBLIOGRAFIA DOUGLAS KURT JOHN (2002). London. and VERMEER P. U. BRINKGREVE R. ASCE. December. Department of Civil Engineering. Leyes de Comportamiento de Materiales.