Diseno De Presas

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA Facultad de Ingeniería Agrícola Departamento de Recursos Hídricos

CURSO DISEÑO DE ESTRUCTURAS II UNIDAD 2.- Estudios Básicos. 2.3 GEOLOGIA y GEOTECNIA

PresaTicllacocha. Cuenca Alta del Rio Cañete.

Ing. Teresa Velásquez Bejarano. Docente Principal de la UNALM

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BENEFICIADOS O AFECTADOS

Eje de Presa Vaso del Reservorio

Impactos de la zona inundada

Estudios en el eje de Boquilla. Vaso y descarga

Estudios en la zona de canteras o materiales

Descarga Aguas Abajo

Plano de delimitación de la cuenca de la Quebrada Santa Cruz y alternativas

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TANCAN LAGUNA Cuenca alta del Rio Pativilca

VASO DEL RESERVORIO

ESTRIBOS ESTRIBOS ZONA DE PRESA PROYECTADA

CIMENTACION

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DESCARGA AGUAS ABAJO

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PresaTicllacocha. Cuenca Alta del Rio Cañete.

ESPALDONES NUCLEO Protección de taludes

CIMENTACIONES Estrato 1

CIMENTACIONES Estrato 2

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ROCA

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2.3.1 COMENTARIOS GENERALES -

Los planteamientos Preliminares identificados utilizando las Cartas Geográficas ( Escala 1: 100,000 o 1: 25,000), Fotografías Aéreas, imágenes satelitales, son la base de los estudios GEOLOGICOS E INVESTIGACIONES GEOTECNICAS

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2.3.2 RECONOCIMIENTO GEOLOGICO .La

GEOLOGIA es responsabilidad del Ing. Geólogo quien utilizara los planos Topográficos y Geológicos, informes, publicaciones, Imágenes Aéreas para realizar un primer reconocimiento del Área del proyecto. .Los requerimientos del Estudio GEOLOGICO para el proyecto de la Presa son los siguientes:  Geología General de la zona de los eje de Presa.  Condiciones Geológicas que puedan afectar la estabilidad  Condiciones Geológicas que afecten el movimiento del nivel freático.  Condiciones del nivel freático  Carácter general de corrientes Fluviales, pendiente y taludes del Valle, materiales del lecho.  Disponibilidad de materiales adecuados para la construcción.

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2.3.3 INVESTIGACIONES GEOLOGICAS . Los métodos de Investigación de cimentaciones geológicas de . . .

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superficie son los que proporcionan mayor información y al menor costo. Es el primer paso de todo estudio geológico Posteriormente continúan otros especialistas: Geofísicos, sismólogo, expertos en mecánica de suelos y de rocas. Luego de los estudios mencionados procede la interpretación de los resultados. También será necesario llevar a cabo los estudios geológicos localizados como el sitio de Presa, área del vaso del reservorio, áreas aguas debajo de la presa.

.

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2.3.3.a. Que importancia tienen los estudios Geológicos? • Proporcionan datos Básicos para los investigadores de: ESTUDIO DE CIMENTACIONES SELECCIÓN DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCION COSTOS UNITARIOS DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCION EVALUACION DE FLUJOS SUBTERRANEOS EVALUACION DEL RECURSO SUELO INVESTIGACIONES ECOLOGICAS

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2.3.3.b. Algunos términos usados en Geologia TERMINOLOGIA 1. Estatigrafia.- Formacion de Rocas y descripcion de las mismas. 2. Estructura Geologica.- Describe la forma y orientacion de las estructuras geologicas (rumbo y buzamiento) 3. La historia geologica describe caracteristicas como resistencia del material, conductividad hidraulica, periodos y epocas

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Fuente: Helweg 01/09/2013

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2.3.3.b. Algunos términos usados en Geología Con las divisiones de tiempo la rocas se clasifican en Consolidadas y no consolidadas, estas ultimas son los suelos. Las rocas consolidadas se clasifican como SEDIMENTARIAS, IGNEAS Y METAMORFICAS, lo que depende si fueron formadas por sedimentos comprimidos (calizas) o formadas del núcleo de la tierra (granito) o formadas por procesos que las cambio en algo diferente (mármol). Los depósitos no consolidados se clasifican según el proceso de deposición (agua, glaciares, viento, descomposición) Los depósitos no consolidados forman acuíferos importantes.

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2.3.3.c. Que datos nos interesan de la Geologia? Los datos que interesan al planificador son: .Resistencia de la roca y suelos para plantear estructuras que requieran una buena cimentacion .Caracteristicas de la roca y suelo para ubicar y proyectar volumenes de materiales de construccion destinados a la presas, Bocatomas, otras obras hidraulicas .Caracteristicas de los acuiferos presentes.

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Caso de la Laguna Arhuaycocha

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BOQUILLA DE LA LAGUNA ARHUAYCOCHA

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Cola con frontis del Nevado en la Laguna ARHUAYCOCHA

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Material de la Morrena frontal de Laguna ARHUAYCOCHA

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LITOLOGIA

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GEOMORFOLOGIA

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GEODINAMICA

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GEOLOGIA LOCAL DE ARHUAYCOCHA

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GEOLOGIA LOCAL DE ARHUAYCOCHA

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2.3.4 INVESTIGACIONES GEOFISICA .

Son Investigaciones de rápida ejecución y relativo bajo costo cuando se trata de áreas pequeñas. . Los parámetros geotécnicos posibles de obtener por correlación a partir de las investigaciones geofísicas, necesitan ser calibrados con sondeos o c alicatas ejecutadas para este fin. . Existen varios métodos geofísicos que se aplican según sea el caso:  Perfiles de resistividad geoelectrica (permiten definir el tipo de suelo atravesando con la onda, el nivel freático, fallas, cavernas, canales de filtración de agua, porosidad y permeabilidad de los suelos)  Velocidad de onda del método de refracción sísmica (detectan la profundidad de alteracion de la roca, localización y orientación de fallas o canales de filtración)  Metodos gravimétricos que son utiles para detectar vacios en la roca como las cavidades carsticas en calizas rellenas de arcillas o agua.

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2.3.5 INVESTIGACIONES DEL SUBSUELO . Se realizan en profundidad, recurriendo a sondeos mecanicos o calicatas excavadas. . Los sondeos pueden ser realizados en material suelto o en roca. . En los dos tipos de suelos y roca los sondeos permiten:  Estraccion de Testigos de rocas o muestras alteradas o inalteradas de suelos, para ensayos de laboratorio y su clasificacion.  Insertar implementos especiales para la observacion directa del sub suelo (camaras, video camaras, diversos instrumentos que permitan por ejemplo, la identificacion de los suelos, o la orientacion de las discontinuidades)  Insertar implementos para la investigacion indirecta del sub suelo como sondeos de calibracion geofisica.  Ensayos in situ de permeabilidad (Lugeon en roca y Lefranc o de bombeo en suelos)  Determinacion de la deformabilidad y la absorcion de la lechada en roca, deformabilidad y resistencia a corte en suelo.  Determinacion del nivel freatico 01/09/2013

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2.3.5.a. EVALUACIONES GEOTECNICAS AREA DE IMPLANTACIÓN DE LA PRESA A) Terreno Superficial en la Zona de Cimentación  Mediante calicatas para exploración visual, toma de muestras y ensayos “in situ” B) Terreno Profundo y Basamento Rocoso  Mediante perforaciones a percusión o rotativas para toma de muestras continuas y ensayos especiales (SPT, permeabilidad, etc)

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2.3.5.a. EVALUACIONES GEOTECNICAS

ÁREAS DE PRÉSTAMO Y CANTERAS DE ROCA A) Áreas de Préstamo  De material impermeable (calicatas regularmente distribuídas)  De materiales permeables para rellenos, filtros o agregados p. concreto B) Canteras de Roca  Mediante voladuras (para protección de taludes exteriores de la Presa)

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2.3.5.b. Perforaciones diamantina ENSAYO DE PERMEABILIDAD EN SUELO POR EL MÉTODO LEFRANC CARGA CONSTANTE

ENSAYO DE PERMEABILIDAD EN ROCA POR EL MÉTODO LUGEON (tanto en retroceso como al avance)

El método Lefranc se utiliza cuando el tramo de prueba se encuentra bajo el Nivel Freatico, caso contrario se debe usar el método Nasberg

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2.3.5.c. LABORATORIO DE MECÁNICA DE SUELOS LABORATORIO DE CAMPO 

Solo para ensayos de clasificación (SUCS), humedades y densidades naturales, compactaciones Proctor y preparación de muestras representativas (alteradas e inalteradas para su envío al Laboratorio Central)

LABORATORIO CENTRAL 

Implementado para realizar en las muestras representativas recibidas todos los ensayos estándar y especiales, que sean requeridos para el diseño de la Presa

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2.3.5.d.RESULTADOS REQUERIDOS PARA EL DISEÑO DE LA PRESA . Resultados Granulométricos . Indice de Plasticidad . Limite Liquido . Limite Plastico . Densidad Seca . Densidad Saturada . Cohesion efectiva . Cohesion Total. . Angulo de friccion efectivos . Angulo de Friccion Totales

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2.3.6 TIPOS DE CIMENTACION La cimentación de la presa comprende el lecho del cauce así como los estribos. La cimentación debe proporcionar apoyo estable para el cuerpo de la presa en condiciones de saturación y diferentes cargas actuantes (Peso de la presa, empuje del agua almacenada, componente horizontal del sismo, etc.); así como tener una elevada resistencia a la filtración para evitar una pérdida excesiva de agua.

Las cimentaciones se pueden clasificar en 3 tipos: b.1 b.2 b.3

Cimentación de roca. Cimentaciones grava y arena. Cimentaciones de limo y arcilla.

Existe un cuarto tipo representados por los depósitos fluvioglaciares, fluvioaluviales, coluviales, aluviales. Compuestos por lentes interestratificados o estratos irregularmente estratificados compuestos por capas de arena, arcilla, arena fina, gravas de extensión y espesor variables. 01/09/2013

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2.3.7 TRATAMIENTO DE LA CIMENTACION • El tratamiento mínimo para cualquier cimentación consiste en la limpieza del área de cimentación de la capa superficial orgánica y otros materiales inadecuados y si la capa superficial es relativamente delgada, se limpia hasta la roca fija.

• Cuando no se emplee un dentellón, siempre debe proyectarse una zanja para unir la zona impermeable del cuerpo de la presa a la cimentación. El ancho mínimo es de 6.0 m.

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2.3.7 TRATAMIENTO DE LA CIMENTACION

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2.3.8 CIMENTACION EN ROCA . El principal problema que afecta las cimentaciones de roca, son las filtraciones que ocurren a través del sistema de grietas, diaclasas, planos de estratificación y planos de fallas. . Las medidas correctivas que se adoptan para disminuir el flujo de agua a través de la cimentación son:  Construcción de un colchón impermeable aguas arriba del pie de presa.  Pantalla de inyecciones de una sola línea.  Las inyecciones por su costo deben aplicarse para casos específicos cuando se tengan altas filtraciones y no se pueda construir un colchón o blanket impermeable.

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2.3.9. a PROBLEMAS EN LA CIMENTACION EN GRAVA Y ARENA A. Problemas en cimentaciones de grava y arena • Pérdidas significantes de agua a través de la cimentación. • Fenómenos de tubificación.

• Fenómenos de Licuación de arenas limpias saturadas (generalmente finas y uniformes) con una densidad relativa menor de 50%, determinada por ensayos SPT.

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2.3.9.a PROBLEMAS EN LA CIMENTACION EN GRAVA Y ARENA B. Magnitud subterráneas

de

las

filtraciones Trayectoria del flujo

La magnitud de las filtraciones subterráneas se estima aplicando la fórmula de Darcy.

Caudal de filtracion

Q=KiA

Donde: Q=Volumen en m3/seg y por metro de presa.

h

K=Coeficiente de permeabilidad obtenido con ensayos de campo, m/seg. i =Gradiente hidráulico = h / L ; h es la carga hidráulica del reservorio; l es la trayectoria del flujo. A=Area bruta de la cimentación a través de la cual ocurre el flujo.

I = h/L

A = Z x 1 = Z (m2)

;

Q = K 01/09/2013

h Z/L

m3 / seg / m. Ing Teresa Velasquez Bejarano

Area Transversal al flujo A= Z x 1 35

2.3.9.a PROBLEMAS EN LA CIMENTACION EN GRAVA Y ARENA

C. Fuerza de Filtración

. La fuerza de subpresion aumenta el peso sumergido WS. . A mayor fuerza de mayor por incremento de la velocidad del flujo.

. La fuerza de filtración tiende a levantar el suelo. Si la Fuerza de subpresion es mayor que el peso del suelo entonces la erosión progresaría hacia atrás a lo largo de la línea de flujo, permitiendo la salida del agua almacenada y la falla de la presa, produciendo el fenómeno de tubificación. 01/09/2013

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2.3.9.a PROBLEMAS EN LA CIMENTACION EN GRAVA Y ARENA C. Tubificacion Existen dos tipos de falla por tubificación:

En la primera, la falla ocurre por un levantamiento repentino de la cimentación en el pie aguas abajo de la presa y generalmente ocurren en la primera vez que se llena el vaso. En la segunda, la falla ocurre por un proceso lento y acumulativo de erosión subterránea, después que la presa ha estado en servicio un tiempo. Como es difícil determinar cuando una tubificación va a producir falla, se recomienda proyectar la estructura para que no se produzca la tubificación.

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2.3.9.b. TRATAMIENTO EN LA CIMENTACION EN GRAVA Y ARENA El tratamiento de las cimentaciones permeables se realiza mediante: Dentellones de arcilla Cuando la profundidad del basamento rocoso sea de pocos metros, es recomendable detener las filtraciones de la cimentación permeable por medio de un dentellón que llegue hasta el basamento rocoso u otro material impermeable. Los dentellones deben localizarse a una distancia de la línea central de la presa, asegurando que la resistencia del material impermeable correspondiente al núcleo de la presa, sea cuando menos igual a la resistencia ofrecida por el dentellón. El ancho de la zanja del dentellón está dado por la fórmula: B = H – Z Donde: B= Ancho del fondo de la zanja del dentellón H=Carga hidráulica del reservorio Z=Profundidad de la zanja del Dentellón bajo la superficie del terreno. 01/09/2013

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2.3.9.b. TRATAMIENTO EN LA CIMENTACION EN GRAVA Y ARENA …sigue Dentellon de Arcilla • El ancho mínimo B es 5 m. para permitir la operación del equipo mecánico. • En el caso que los dentellones no alcancen el material impermeable por razones económicas, se pueden construir dentellones de arcilla parciales, pero deben tenerse en cuenta lo siguiente: • Un dentellón que se profundice el 50 % de la profundidad del estrato permeable, solamente reducirá el 25% de las filtraciones. Para reducir el 50% del volumen de filtraciones es necesario profundizar hasta el 80% de la profundidad del estrato permeable. • Un dentellón parcial puede ser efectivo estratos superficiales permeables de una cimentación interestratificada. 01/09/2013

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2.3.9.b. TRATAMIENTO EN LA CIMENTACION EN GRAVA Y ARENA •Blanket de material impermeable .Es una capa construída como una prolongación de la zona impermeable de la presa, hacia el lado aguas arriba. El blanket o colchón se usa cuando el espesor del material permeable hace antieconómico llevar el dentellón hasta la roca o material impermeable. . Se emplean también combinados con dentellones parciales. .Son efectivos para disminuir el volumen de las filtraciones, pero no se puede confiar que reducirán completamente las fuerzas de filtración y evitar las fallas por tubificación. .El espesor del blanket se puede considerar el 10% de la carga hidráulica sobre este, con un espesor mínimo de 1.00 m. .La longitud será calculada considerando el porcentaje de disminución de pérdidas de filtración que se desea obtener. La mejor manera de calcular la longitud de un blanket será por tanteos, trazando redes de flujo con diferentes longitudes y determinando la extensión del blanket que permita obtener la filtración deseada. . También, la longitud del Blanket se obtiene aplicando la fórmula de Dachler y Cambefort.

Qo  KoH

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1 B  B1 0.88  D

Donde : Q o=Gasto de filtración m3/seg Ko=Permeabiliad m/seg. (depósito permeable) H=Carga agua embalse, m. B=Ancho de la presa, m. B1=Longitud del colchón impermeable, m. D=Espesor del depósito permeable, m.

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2.3.9.b. TRATAMIENTO EN LA CIMENTACION EN GRAVA Y ARENA Filtros y Blanket de drenaje: . Se colocan aguas arriba de la cimentación permeable con el objeto de permitir la descarga de las filtraciones y controlar la ocurrencia de fallas por tubificación. . Se incluyen Blanket horizontal de drenaje en los siguientes casos:

 Cimentaciones permeables relativamente homogéneas que no tienen dentellones efectivos de arcilla.  Cimentaciones permeables cubiertas por capas delgadas impermeables.

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2.3.9.b. TRATAMIENTO EN LA CIMENTACION EN GRAVA Y ARENA Drenes de talón y zanjas de drenaje Tienen la función de recoger y evacuar el agua de filtración captada por el blanket permeable a través de un tubo de descarga exterior. Los drenes son tubos de 6” de diámetro mínimo. Pozos de drenaje Se emplean cuando el espesor de la capa impermeable sobre suelos arenogravosos es menor que la carga h del reservorio. Para evitar la ocurrencia de fenómenos de erosión interna se recomienda que la profundidad de los pozos debe ser igual a la carga hidráulica del reservorio. Si el estrato impermeable es igual o mayor que la carga hidráulica del reservorio, no necesita tratamiento de la cimentación para evitar la tubificación. Si el estrato impermeable es menor que la carga hidráulica del reservorio y además es muy grueso para proyectar zanjas de drenaje, o la cimentación permeable está estratificada, entonces es necesario instalar pozos de drenaje. 01/09/2013

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2.3.10. TRATAMIENTO EN LA CIMENTACION EN LIMO Y ARCILLA La solución más práctica para las cimentaciones de limo y arcilla saturadas es diseñar presas con taludes más inclinados, con el propósito de aumentar la superficie de deslizamiento, y disminuir los esfuerzos cortantes que actúan en ella, para incrementar el factor de seguridad contra deslizamiento. Materiales Teniendo en cuenta los materiales disponibles, el proyectista debe estudiar varias secciones de presas considerando la inclusión de los suelos que podrían explotarse para la construcción. El diseño de la estructura así como el análisis de los costos para cada caso, permitirá seleccionar la alternativa económica. Por ejemplo, si se tienen dos tipos de materiales para conformar la estructura de la presa: una arena arcillosa y un limo de baja plasticidad; el ingeniero proyectará una sección homogénea con la arena arcillosa, considerando un filtro en el pie del talud aguas abajo, lo cual debe dar a la estructura una aceptable estabilidad, si se asume que la cimentación es una roca sana poco agrietada. De otro lado el proyecto de la presa considerando el limo de baja plasticidad debe tener un filtro vertical unido a otro en la base, dado que este material es susceptible a la tubificación.

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2.3.11.RESUMEN DE LOS TIPOS DE CIMENTACION Y SOLUCIONES

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2.3.11.RESUMEN DE LOS TIPOS DE CIMENTACION Y SOLUCIONES

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PRESA DE ENROCADO CON NÚCLEO IMPERMEABLE DE ARCILLA

MI

Ataguía

Fuente: Marsal

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B) PRESAS DE TIERRA Tipo Homogénea

Fuente: Marsal

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Tipo Zonificada

Z = Altura máxima de la presa desde el cauce del río

h = Altura máxima de agua en el reservorio NAMO: Nivel Máximo Ordinario; NAME: Nivel Máximo Extraordinario; NAMI: Nivel Aguas Mínimas o coronamiento

más Rip Rap más grama

del coronamiento finos

de inspección y drenaje

Núcleo

o filtros gruesos o dren Tierra Compactada (semipermeable)

mínimo

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Presa desde su cimentación 48

GRACIAS POR SU ATENCION

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