Diseã‘o geotecnico de_presa_enrocado

M E X I C O

DISEÑO GEOTÉCNICO DE PRESAS DE GRAN

ALTURA DE ENROCAMIENTO CON CARA DE

CONCRETO

ASPECTOS FUNDAMENTALES

ESPECIALIDAD: INGENIERÍA CIVIL

Juan de Dios Alemán Velásquez

Maestro en Ingeniería

Mecánica de Suelos

24 de enero de 2013

Diseño geotécnico de presas de enrocamiento con cara de concreto. Aspectos

fundamentales

CONTENIDO

Página

Resumen ejecutivo

3

1 Introducción

4

2 Zonificación de una presa de ECC según

6

ICOLD

3 Diseño Geotécnico de una presa de ECC

10

de Gran Altura según la práctica en CFE.

Aspectos fundamentales

3.1 Zonificación

12

3.2 Caracteristicas de los materiales 2A,

13

2B y 3A utilizadas en México

13

3.2.1 Material 2A

14

3.2.2 Material 2B

14

3.2.3 Material 3A

17

3.3 Pruebas de campo y laboratorio para 19

determinar las caraterísticas de los

materiales 3B, T y 3C.

3.3.1 Pruebas de laboratorio índice

20

3.3.2 Pedraplenes de prueba

21

3.3.3 Pruebas de odometro gigante

26

3.3.4 pruebas triaxiales

27

3.4 Análisis númericos esfuerzo

28

deformación para predecir el

comportamiento de la presa

28

3.4.1 Selección de parámetros

3.4.2 Análisis númericos esfuerzo-

deformación

34

3.5 Comportamiento de la presa durante

construcción y primer llenado

34

3.5.1 Propiedades índice de los materiales

utilizados en la Presa

36

3.5.2 Asentamientos y filtraciones

medidos

4. Conclusiones

37

5 Referencias

39

Especialidad: Ingeniería Civil

2


fundamentales

RESUMEN EJECUTIVO

El diseño de las presa de enrocamiento con cara de concreto (PECC o

CFRD por sus siglas en inglés) ha sido generalmente empírico, es decir,

basado en los precedentes y en la extrapolación de estos precedentes,

sin realizar estudios de campo y laboratorio detallados para determinar

las características esfuerzo- deformación de los materiales a utilizar, ni

ejecutar análisis númericos que permitan predecir el posible

comportamiento de la estructura.

Esta práctica funcionó más o menos bien durante muchos años, pero no

era raro que algunas presas presentaran asentamientos excesivos,

daños en la cara de concreto y filtraciones de consideración, que

generalmente eran reparados o aceptados con cierta resignación.

Sin embargo, las fallas de las presas Mohale, Barra Grande, y Campos

Novos, las cuales presentaron filtraciones desde 0.6 m3/s hasta más 2

m3/s, o el fracturamiento de las losas observadas en presas como

Tianshenqiao, hicieron dudar a la comunidad ingenieril mundial sobre la

conveniencia de este tipo de presas.

Afortunadamente, el excelente comportamiento de la presa El Cajón,

terminada en el 2006, así como el comportamiento observado hasta

ahora en la presa La Yesca, han permitido confirmar que es posible

diseñar este tipo de presas de una manera confiable, siempre que se

realicen estudios de campo (pedraplenes de prueba) y laboratorio

(odometros gigantes) en los materiales que se utilizarían en las diversas

zonas de la presa, y se ejecuten análisis numéricos esfuerzo-

deformación que permitan predecir su comportamiento durante

construcción y primer llenado.

En este documento presentamos los criterios utilizados en la Comisión

Federal de Electricidad (es decir, la experiencia mexicana) para los

estudios, el diseño y la construcción de este tipo de presas, los cuales

han permitido lograr proyectos seguros y confiables.

Se discuten las características que debe cumplir el material 2B para que

sea efectivo como apoyo de la losa de concreto y para reducir las

filtraciones que pudieran presentarse ante eventuales agrietamientos de

ésta, y se dan recomendaciones para la granulometría que debe cumplir

el material 3A para que sea un filtro efectivo del materiale 2B.

Se expone la importancia de utilizar una zona de transición entre los

materiales 3B y 3C, para tener una variacion gradual de los modulos de


3


fundamentales

deformabilidad de los materiales de la presa. También se hace hincapié

en la importancia de utilizar enrocamientos bien graduados, con

contenidos de grava mayores que 40 %, y contenidos de arena

preferiblemente mayores que 15%, asi como el agregar agua a los

enrocamientos para mejorar su compactación.

Palabras clave: Presas de enrocamiento con cara de concreto,

Concrete face rockfill damas, enrocamientos, deformabilidad,

pedraplenes de prueba, pruebas de odometro gigante, análisis

numericos esfuerzo-deformación


4


fundamentales

1.

INTRODUCCIÓN.

Las primeras presas de enrocamiento con cara de concreto (PECC o

CFRD por sus siglas en inglés), fueron construidas a principios del siglo

pasado por las empresas mineras de California para almacenar agua,

aprovechando su experiencia en voladuras y la disponibilidad de roca

sana (Cooke, 1984, 1992, 1997). Estas primeras presas se construyeron

colocando el enrocamiento a volteo en alzadas de hasta 25 m. Como

elemento impermeable utilizaron tablones de madera apoyados

directamente sobre una “piel” de roca colocada prácticamente a mano.

Posteriormente la madera se sustituyó por una cara de concreto. El

diseño, por supuesto, fue completamento empírico.

Este procedimiento se siguió utilizando hasta los años cincuentas en

presas de hasta 70-80 m de altura, la cuales se comportaron

satisfactoriamente. Sin embargo, a medida que las presas se fueron

haciendo más altas se presentaron problemas de altas filtraciones, lo

que motivó que las presas tipo ECC fueran perdiendo popularidad,

aunque la seguridad nunca estuvo comprometida. Era un hecho que la

fuerte deformabilidad del enrocamiento colocado a volteo no era

compatible con la rigidez de la cara de concreto.

Ante este problema y puesto que la necesidad de presas cada vez más

alta seguía presente, se comenzaron a construir presas de enrocamiento

con núcleo impermeable, las cuales con el desarrollo de la mecánica de

suelos, fueron cada vez más altas y seguras. Durante los años 40’s-60’s

sólo se construyeron algunas presas de ECC de más de 80 m de altura

(Cooke, 1991) y en general presentaron problemas de altas filtraciones.

La última presa de más de 100 m construida con enrocamiento colocado

a volteo fue New Exchequer, en California, con 150 m de altura, la cual

presentó filtraciones de hasta 4 m3/s (Cooke, 1992).

A partir de los años 60’s, con el advenimiento de los compactadores de

rodillos vibratorios se hizo evidente que la compactación mejoraba

notablemente las características de deformabilidad y resistencia de los

enrocamientos, permitiendo además, utilizar rocas menos competentes

en el cuerpo de la presa. Esto permitió retomar las presas de ECC como

una opción viable para alturas mayores que 80 m.

Durante este nuevo periodo (comenzado con la presa Cethana en

Australia, en 1971, de 110 m de altura), se introdujeron cambios en el

diseño del plinto, las juntas impermeables, y se comenzó a colocar como

soporte de la losa de concreto un enrocamiento de pequeño tamaño con

un cierto porcentaje de finos, proporcionando una superficie lisa y una


5


fundamentales

zona semipermeable que reducía de manera importante las filtraciones

aún cuando se presentaran agrietamientos en la cara de concreto.

Conforme se fue adquiriendo experiencia se comenzaron a construir

presas de ECC cada vez de mayor altura, como Alto Anchicaya (1974,

140 m), Foz Do Areia (1981, 160 m), Aguamilpa (1994, 190 m) y

Tiangshenqiao (1997, 180 m), siguiendo un diseño empírico y basado en

el comportamiento de los proyectos precedentes (ver fig. 1).

Figura 1 Tendencias en altura de presas de ECC por año de construcción (cooke,

1991, 1997, extendida a 2011)

Parecía que los criterios para el diseño y construcción de presas de

mayor altura ya estaban definidos, sin embargo, la falla de dos presas

de más de 180 m de altura en brasil (Campos Novos y Barra Grande,

2005), sembraron dudas sobre el límite de altura de este tipo de presas,

afortunadamente, el excelente comportamiento de la presa El Cajón,

terminada en el 2006, permitieron afirmar que era posible diseñar este

tipo de presas de manera confiable, combinando la experiencia con

estudios de campo y laboratorio detallados y análisis númericos que

permitan predecir el comportamiento esfuerzo deformación de la

estructura.

En este trabajo presentaremos los criterios actuales utilizados en México

para el diseño geotécnico de presas de gran altura (más de 150 m),


6


fundamentales

basados en los conocimientos adquiridos durante los trabajos para el

diseño y construcción de las presas El Cajón y La Yesca.

2. Zonificación de una presa de ECC según ICOLD

Zonas del enrocamiento y sus propiedades

2.1 Zonificación de la presa

Para presas de enrocamiento con cara de concreto es común usar, de

acuerdo a la nomenclatura internacional, la zonificación y

recomendaciones de construcción que aparecen en los incisos siguientes

(International Committe of Large Dams, ICOLD, 2010, ver figs. 2 y 3).

Sin embargo, veremos en el inciso 3, que el seguir estas

recomendaciones sin un juicio ingenieril apropiado puede llevar a

proyectos que se comporten de manera inadecuada.

Fig. 2 Zonificación y nomenclatura típica propuesta por ICOLD, 2010

Zona 1

La Zona 1 se compone de las Zonas 1A y 1B, los cuales se colocan en el

tercio o mitad inferior de la cara de concreto. Enseguida se describen

con detalle su función y características.


7


fundamentales

Fig. 3 Detalle de zonificación de materiales en junta perimetral Plinto-losa

Zona 1A

Es un limo no plástico (no cohesivo) o arena fina limosa no plástica

compactado ligeramente, que se coloca sobre el tercio o mitad inferior

de la cara de concreto, en la zona de tensiones en dirección del talud,

con el propósito tener un material que pueda migrar fácilmente y sellar

las grietas que pudieran producirse en la cara de concreto. Dicho suelo

se protege o se le proporciona mayor estabilidad cubriéndolo con el

material de la zona 1B. No es recomendable un suelo con cierta

plasticidad o francamente arcilloso ya que probablemente no migre ante

el flujo de agua. Generalmente, este material se coloca en capas de 20 a

40 cm de espesor y se compacta ligeramente con un rodillo ligero o con

las orugas del tractor.

Zona 1B

Material que da estabilidad y sirve de protección a la Zona 1A contra

erosión por efecto de la lluvia (durante construcción ) y el oleaje

durante el llenado del embalse. Generalmente se trata de una rezaga


8


fundamentales

mixta compuesta de grava-arenas, fragmentos de roca, limo, etc. Se

coloca en capas con espesor similar al 1B y se compacta con 4 pasadas

de rodillo liso vibratorio.

Zona 2

Los materiales de esta zona proporcionan un apoyo uniforme y firme a

la losa de concreto y funcionan, al mismo tiempo, como una barrera

semi-impermeable contra la posible filtración del agua. Generalmente,

se utilizan las siguientes subzonas:

Zona 2A

Se debe incluir esta zona debajo de la junta perimetral losa-plinto, como

se muestra en la Figura 3. Sirve como una zona con un módulo alto para

limitar la deformación de la losa en el perímetro y una permeabilidad

relativamente baja para reducir filtraciones. Según la ICOLD, esta zona

actúa también como filtro para retener limos en caso de que las juntas

perimetrales se abran y los sellos fallen. El tamaño máximo de partícula

se ubica entre 19 y 37 mm, y corresponde a grava arena con limo bien

graduada, GW-GM. Se coloca en capas de 0,3 m de espesor.

ICOLD establece que el material debe cumplir con el criterio de filtros

en cuanto a retención y permeabilidad, por lo que el boletín No. 141

recomienda un % de finos menor que 5% (véase inciso 3.2.1).

Zona 2 (2B)

Grava arena poco limosa producto del procesamiento de aluvión o de

trituración de roca y, en caso necesario, mezclado con limo o arena

limosa, para obtener la granulometría especificada. Debe ser bien

graduada con limo GW-GM y colocada en capas con espesores de 0,3 a

0,4 (Revisar espesores) m. Se recomienda que el ancho de esta zona

sea de 4 a 5 m (Sherard 1985; ICOLD 2010) como mínimo. Las

especificaciones de granulometría más usuales se presentan en la Tabla

1 (véase inciso 3.2.2)


9


fundamentales

Tamiz

Tamaño, en

Porcentaje que pasa, por peso

estándar US

mm

Granulometría

ICOLD Boletín

modificada, límites

Sherard (1985b)

70 (1989a)

para la Zona 2B

(boletin 141)

3”

76.2

90-100

90-100

100

1½”

38.1

70-95

70-100

70-100

¼”

19.1

55-80

55-80

55-80

No. 4

4.76

35-55

35-55

35-60

No. 16

1.19

18-40

0.6

8-30

8-30

No. 50

0.297

6-18

No. 200

0.074

2-12

5-15

0-7 (no cohesivo)

Tabla 1. Granulometría para material 2B recomendadas por ICOLD, 2010

Zona 3

Es la zona principal de la cortina y consiste en enrocamiento y/o aluvión.

En general, se divide en cuatro subzonas: 3A, 3B, 3C y 4, aunque

dependiendo de los materiales disponibles en el sitio, pueden ser

eliminadas algunas de ellas.

Zona 3A

La zona 3A es la transición entre la Zona 2 y el cuerpo principal de

enrocamiento. Está constituida por aluvión o roca de cantera procesada

de tamaño pequeño o gravas que permiten el libre drenaje del

enrocamiento y funcionan como filtro del material 2B. Se coloca en

capas de espesor similar al del material 2B (0.3-0.4 m) . Esta zona se

debe compactar de manera similar al material 3B para alcanzar altos

módulos de rigidez y contribuir de manera eficiente al soporte de la

cara de concreto, limitando su deformación.

Zona 3B

Esta zona consiste comúnmente de enrocamiento con tamaño máximo

de 1 m, colocado en capas de 1 m de espesor y (segú generalmente

compactado con 4 pasadas de un rodillo liso vibratorio de 10 t de masa

en el tambor. Para algunos proyectos, el número de pasadas se

determina con base en pruebas de campo. Para rocas blandas el agregar

agua (10 a 25 %del volumen de roca) y manejar capas más delgadas

permite alcanzar densidades aceptables. También es posible manejar

capas más delgadas para grava-arenas.


10


fundamentales

Zona 3C

Esta zona consiste de enrocamiento con tamaño máximo de 2 m

colocado en capas de 2 m de espesor y compactado con 4 pasadas de

un rodillo liso vibratorio de 10 t de masa en el tambor. Al igual que la

zona 3B, el espesor de capa y el numero de pasadas son ajustados en

función de las características del material. Esta zona prácticamente solo

toma la carga debido a su peso propio, por lo que no influye de manera

directa en la deformación de la cara de concreto ante la carga del agua

del embalse, sin embargo, es recomendable que su deformabilidad no

sea excesivamente diferente a la del material 3B para evitar que su

deformación ante carga sostenida afecte a la losa, como ocurrió en

Aguamilpa (Alberro, 1998).

Zona 4

La zona consiste de fragmentos de roca de gran tamaño (mayor que 1

m), colocados con grúa o retroexcavadora. Su función principal es

proteger de la erosión contra lluvias o viento al material 3C. Permite

además dar una vista estética al talud aguas abajo de la presa.

3. Diseño geotécnico de presas de ECC de gran altura según la

práctica en CFE. Aspectos fundamentales

En 1992 J. B. Cooke afirmaba que el diseño de las presas de

enrocamiento con cara de concreto era totalmente empirico (es decir,

basado en la experiencia práctica y no en la teoría) y se basaba en los

precedentes y la extrapolación de estos precedentes. Hoy, 20 años

después, tomando en cuenta las recomendaciones dadas en el boletín

141 del ICOLD (ICOLD, 2010), el cual no menciona la necesidad de

determinar las propiedades de deformabilidad de los enrocamientos ni

de ejecutar análisis numéricos para predecir el comportamiento de la

presa, podemos concluir que las cosas no han cambiado mucho desde

entonces. En efecto, salvo algunas excepciones, la práctica común del

diseño de este tipo de presas sigue siendo puramente empírico, sin

estudios completos sobre la deformabilidad de los enrocamientos ni

análisis númericos del posible comportamiento futuro de la presa.

Este práctica de realizar diseños completamente empíricos provocó que

un buen número de proyectos presentaran problemas de filtraciones, al

grado que ya desde el 2002 había fuertes críticas al comportamiento de

las presas de ECC, como lo demuestra el comentario de Anthiniac que

reproducimos a continuación:


11


fundamentales

“Yet the first impounding of CFRDs is all too often accompanied by

leakage, sometimes on an impressive scale, which disturbs the

operation of the schemes, diminishes their profitability, and requires

costly remedial measures, the efficiency of which can be uncertain. The

owners of such dams are disenchanted and wrongly believe that leakage

is an inherent flaw of CFRDs.” (Anthiniac et al, 2002).

“The safety of the dams was never called into question, since the

materials of which they are made enable water to flow out freely without

causing any damage, but the leakage rates were deemed to be too high,

given the type of dam and the functions involved. Moreover, the current

trend is to accept increasingly high leakage rates, implying that leakage

is not a danger.” (Anthiniac et al, 2002)

Esta crítica comprobó su certeza con el comportamiento de las presas de

Mohale (en Sudáfrica), Barra Grande y Campos novos, en Brasil (fig.4),

las cuales sufrieron rotura de losas y filtraciones del orden de m3/s.

Afortunadamente, el comportamiento de la presa El Cajón en 2006, y la

Yesca, en 2012, ha permitido demostrar que es posible realizar un

diseño mas racional de una presa de este tipo, no únicamente basado

en la experiencia, sino tambien en el estudio de las propiedades de

deformabilidad y resistencia de los enrocamientos, y en la ejecución de

análisis númericos que permitan predecir su comportamiento esfuerzo

deformación y definir el nivel de esfuerzos a que estará sujeta las losas.

En los siguientes incisos presentaremos los criterios de estudios y diseño

geotécnico utilizados en México para presas de gran altura, que han

permitido que estas presas presenten un comportamiento excelente.

Fig. 4 Vista de la rotura de la losa de concreto en la presa Campos Novos (fotos Cortesía

F.

Méndez).


12


fundamentales

3.1 Zonificación utilizada en México

Un primer cambio realizado en México con respecto a la practica usual

fue introducir una zona de transición en el cuerpo de la presa. Esto se

hizo por primera vez en Aguamilpa, y tuvo como objetivo el evitar un

cambio muy abrupto en las propiedades de los materiales, considerando

que la zona 3B está constituida por un aluvión muy poco deformable,

colocado en capas de 60 cm de espesor, y el enrocamiento de la zona

3C, colocado en capas de 1.2 m. Para ello se introdujo una zona de

transición de enrocamiento colocado en capas de 0.6 m de espesor (ver

fig. 5).

Fig. 5 Zonificación de la presa Aguamilpa (Montañez, 2000)

Esta presa se ha comportado adecuadamente (con filtraciones en este

momento menores que 20 l/s), a pesar de que se presentó un

agrietamiento horizontal en la parte superior de la cara de concreto

debido al asentamiento ante carga sostenida sufrido por la zona 3C,

(Alberro, 1998 ).

Posteriormente, para el diseño de la presa El Cajón, se modificó la

frontera vertical entre los materiales 3B y T, para evitar concentraciones

de esfuerzos en esa zona. La solución fue utilizar una frontera con

taludes 0.5:1 (ver fig. 6), tomando en cuenta que aún para esta

inclinación, la zona 3B continuaba soportando la mayor parte de la

carga debido al llenado del embalse (Romo, et al, 2002).

Para la presa La Yesca, como se comentará con detalle más adelante,

se optó por una sección similar y, además, las granulometrias entre las

tres zonas principales de enrocamiento fueron practicamente iguales,

variando principalmente el espesor de capa y el támaño máximo

aceptable en cada zona. Este criterio garantiza que los modulos de

deformabilidad entre zonas varíen gradualmente, evitando así cambios

bruscos de modulos que pueden originar un comportamiento indeseable.


13


fundamentales

Además, permite utilizar un enrocamiento más compresible en la zona T

sin afectar el comportamiento de la cara de concreto ante llenado.

Fig. 6 Sección máxima de la Presa El Cajón.

3A

Fig. 7 Vista de la zonificación típica de materiales en una presa de ECC utilizada en

México.

3.2 Características de los Materiales 2A, 2B y 3A utilizadas en

México

3.2.1 Material 2A

La nomenclatura internacional denomina a esta zona como 2A, mientras

que en México se conoce como 2F. Se debe incluir esta zona debajo de

la junta perimetral plinto-losa, como se muestra en la Figura 3. Sirve

como una zona con un módulo alto para limitar la deformación de la losa

en el perímetro y una permeabilidad relativamente baja para reducir

filtraciones. Esta zona actúa también como filtro para retener limos en


14


fundamentales

caso de que las juntas perimetrales se abran y los sellos fallen. El

tamaño máximo de partícula se ubica entre 19 y 37 mm, y corresponde

a grava arena con limo bien graduada, GW-GM. Se coloca en capas de

0,3 m de espesor.

Existe una diferencia notable de criterios entre la granulometría de este

material recomendada por el boletín No. 141 de ICOLD (ICOLD,2010) y

los criterios de diseño utilizados en El Cajón y La Yesca (Alemán, 2001,

Pantoja, 2006). ICOLD establece que el material debe cumplir con el

criterio de filtros en cuanto a retención y permeabilidad, por lo que

recomienda un % de finos menor que 5%, mientras que el criterio

empleado en México establece que el material 2A debe tener una baja

permeabilidad (menor que 1 x 10-4 cm/s) para reducir drásticamente

las filtraciones en el caso de una rotura de la junta perimetral del plinto,

y adicionalmente, debe retener a la arena fina limosa o el limo arenoso

no plástico que componen al material 1A. esto exige que el material 2A

tenga un % de finos entre 6 y 12%. En la tabla 3 se puede apreciar

estas diferencias.

Tamiz

Tamaño, en


estándar US

mm

ICOLD

Aguamilpa

El Cajón

La Yesca

BOLETIN 141

1½”

38.1

100

100

100

100

¾”

19.1

85-100

60-80

80-100

75-100

No. 4

4.76

50-75

32-60

45-70

45-65

No. 16

1.19

25-50

20-43

30-46

25-40

No. 50

0.297

10-25

12-26

18-30

15-23

No. 200

0.074

0-5

5-12

8-16

6-12

Tabla 3. Caracteristicas del Material 2A recomendado por ICOLD y utilizados en México

3.2.2. Material 2B

El material 2B constituye el soporte directo de la cara de concreto. En el

inicio de la construcción de este tipo de presas a principios del siglo

pasado, la losa de concreto se colocaba sobre una “piel” de

enrocamiento de gran tamaño colocado con grua.

Posteriormente, en los años 55-60, al comenzar a compactarse los

enrocamientos de la zona 3B colocados en capas más delgadas, también

se modificó la granulometría de la zona 2B, utilizando material triturado

con tamaños entre 38 cm a 2.5 cm. Se evitó utilizar materiales más

finos ante el temor de que fueran arrastrados por flujos de agua

concentrados, lo que podría haber dejado a la losa sin soporte en

algunas zonas. Sin embargo, esta especificación implicaba la necesidad


15


fundamentales

de remover del material triturado las partículas menores que 2.5 cm. Lo

que implicaba un costo adicional.

El cambio más importante en la granulometría de esta zona se dio en la

presa Cethana, en Australia (1971, Sherard, 1985, Cooke, 1992)). Aquí

se decidió no remover los materiales más finos, permitiendo un

porcentaje de hasta 5% de materiales menores que la malla No. 200.

Lo anterior tenía dos ventajas, por un lado, se obtenía una superficie

más suave para el apoyo de la losa y por el otro, el material presentaba

una permeabilidad considerablemente más baja, lo que permitia reducir

las filtraciones a través de las grietas en las losas.

A raíz de esta experiencia se utilizó el mismo principio en otras presas

como alto anchicayá (Materon, 1985, Sherard, 1985) y Foz Do Areia

(Pinto et al, 1985), lo que derivó en la recomendación de J. L. Sherard

que aparece en la siguiente figura, y que básicamente exige un tamaño

máximo de 7.5 cm, un porcentaje de arena mayor que 35% (para evitar

la segregación) y permite materiales menores de la malla 200 en un

porcentaje de 2 a 12%.

100

90

New Exchequer (1966)

80

Cabin Creek (1967)

70

Pindari (1969)

60

Cethana (1971)

50

Alto Anchicayá (1974)

40

Foz Do Areia (1981)

30

Sherard(1985)

Boletin 70 Icold

20

Boletin 141 ICOLD (2010)

10

CFE (2006)

0

1000

100

10

1

0.1

0.01

Fig. 8 Granulometrías promedio del material 2B utilizadas en diferentes proyectos

desde 1966 a la fecha.

En la figura tambien se puede apreciar la evolución de la granulometría

del material 2B, desde los años 50’s hasta la actualidad. Se puede

observar que la tendencia fue ir reduciendo el tamaño máximo de los

fragmentos, desde 40 cm en New Exchequer, hasta la grava arena con 8

% de finos utilizada en el PH La Yesca.


16


fundamentales

Sherard (1985) también recomendó que el coeficiente de permeabilidad

de estos materiales fueran menor que 1 x 10-3 cm/s, ya que esto

permitía una reducción drástica de las filtraciones ante fracturamientos

de la losa, al respecto, cabe comentar que durante la construcción de El

Cajón y la Yesca, se alcanzaba coeficientes de permeabilidad del orden

de 0.5 x 10-3 cm/s con contenidos de finos del orden de 8%.

Por otro lado, el ICOLD en su boletín 141 (ICOLD, 2010) redujo

considerablement el % de finos del material 2B con respecto a lo

recomendado en su propio boletín 70. Como se ve en la tabla 4, los

criterios de ICOLD y CFE son considerablemente diferentes en cuanto a

este porcentaje. ICOLD lo restringe a 7% máximo, lo que lleva a una

permeabilidad del orden de 1x10-2 cm/s, mientras que CFE exige

porcentaje de finos entre 6 y 10%, lo que permite permeabilidades

menores que 10-3 cm/s, garantizando así que aún ante agrietamientos

importantes de la cara de concreto, las filtraciones sean reducidas.

Tamiz

Tamaño, en


estándar US

mm

Granulometría

CFE, 2006

ICOLD Boletín

modificada, límites

Sherard (1985b)

70 (1989a)

para la Zona 2B

(ICOLD boletin 141)

3”

76.2

90-100

90-100

100

100

1½”

38.1

70-95

70-100

70-100

75-100

¼”

19.1

55-80

55-80

55-80

60-100

No. 4

4.76

35-55

35-55

35-60

35-60

No. 16

1.19

18-40

0.6

8-30

8-30

10-30

No. 50

0.297

6-18

No. 200

0.074

2-12

5-15

0-7 (no cohesivo)

6-12 (no

cohesivo)

Tabla 4. Granulometrías del material 2B recomendadas por ICOLD y las utilizadas en

México

La granulometría actual del material 2B diseñado de acuerdo a los

criterios utilizados en México permite obtener un material poco

permeable (permeabilidad menor que 1 x 10-3 cm/s) y no segregable

(contenidos de arena mayores que 35% evitan esta condición). Además,

los procedimientos constructivos utilizados recientemente en presas

como La Yesca, consideran la colocación de este material mediante

máquinas esparcidoras (ver fig. 9), lo que permite controlar

perfectamente el espesor de este material y evitan completamente su

segregación.


17


fundamentales

En cuanto a su compactación, es recomendable que este material

alcance relaciones de vacíos menores que 0.22, por lo que previo a la

construcción deben realizarse en campo terraplenes de prueba para

definir el contenido de agua óptimo y el número de pasadas mínimo del

rodillo liso vibratorio que garanticen este valor.

Cabe comentar que para el proyecto de La Yesca, el contenido de agua

óptimo de este material fue del orden de 7%, y se compactó con un

rodillo liso vibratorio de 12 t de peso en el tambor, dando del orden de

8 a 10 pasadas.

Fig. 9 Colocación de material 2B con máquina esparcidora en el PH

La Yesca.

3.2.3 Material 3A

El material 3A sirve como transición entre el material 2B (grava arena

limosa) y el 3B (enrocamiento o grava arena con tamaño máximo de 60

a 100 cm). Generalmente se coloca en capas del mismo espesor que el

material 2B y se compacta con 6 a 8 pasadas de rodillo liso vibratorio

de 12 t de masa en el tambor.

Es importante que el material 3A sirva como filtro del material 2B, para

evitar que sus finos sean arrastrados, considerando los altos gradientes

que pueden generarse en las presas de gran altura cuando se produce

un agrietamiento de la cara de concreto. Sin embargo, puesto que el

material 2B es estable internamente (Sherard, 1985), puede tomarse su

granulometría integral para diseñar el filtro, lo cual permite que

materiales relativamente gruesos puedan hacer esta función. Sin

embargo, es conveniente que estos materiales posean al menos un 30

% de contenido de arena para reducir el riesgo de segregación.


18


fundamentales

En la fig. 10 se observa dos fotografías del material 3A utilizado en La

Yesca y en el Cajón, respectivamente. En la primera consistió en aluvión

cribado para eliminar las partículas mayores que 20 cm. En la segunda

se trató de un enrocamiento procesado para dar la granulometría

especificada. Se observa en la foto como en el contacto 3A-2B fueron

removidos los fragmentos segregados de mayor tamaño, dejando un

material capaz de retener al material 2B.

En algunos proyectos, cuando el material 3B es aluvión, se ha

acostumbrado eliminar al material 3A, permitiendo el contacto del

material 2B con el 3B. Al respecto cabe comentar que si bien es cierto

que los aluviones pueden ser menos segregables que el enrocamiento,

siempre existe el riesgo de que se presente una zona de segregación

que no garantice la retención del material 2B, por lo que es

recomendable siempre utilizar al material 3A como una transición entre

el 2B y el 3B.

En general se recomienda para el material 3A un % de arena mayor

que 30%, un % de finos menor que 5 % y un tamaño máximo de 20

cm. Además, durante su colocación, se deberán retirar los materiales

más gruesos que se hayan podido segregar en la zona de contacto con

el material 2B.

En la fig. 11 se pueden observar las granulometrías promedio del

material 3A utilizadas en las presas de El Cajón y La Yesca.

Fig.10 Fotos de zona de contacto entre los materiales 2B y 3A en los proyectos de a)

La Yesca; b) EL Cajón. Observese como se han retirado los sobretamaños.


19


fundamentales

Fig. 11 Curvas granulométricas del material 3A utilizado en El Cajón y La Yesca

3.3 Estudios de campo y laboratorio para definir las

caracteristicas de los materiales 3B, T y 3C

Como ya se comentó, en México se utiliza una zonificación para las

presas de ECC que incluyen un material de transición entre las zonas 3B

y 3C clasicas. Esto permite que haya una reducción gradual del modulo

de deformabilidad de los enrocamientos a partir del material 3B (el

menos deformable), hasta el 3C (el más deformable).

El material 3B constituye el enrocamiento principal de una presa de

ECC. Este material soporta la carga del agua del embalse y define, por

tanto, la deformación que sufrirá la cara de concreto.

En las primeras presas de ECC, el material 3B se colocaba a volteo en

alzadas de hasta 25 m de espesor. Como se comentó en la introducción,

este procedimiento permitió construir presas de hasta 70-80m de

altura. Presas más altas presentaron filtraciones de consideración. Con

el advenimiento de los compactadores vibratorios, se comenzaron a

compactar

los

enrocamientos,

reduciendo

notablemente

su

deformabilidad, lo que permitió construir presas del orden de 160 m de

altura con un comportamiento aceptable.

Los criterios eran simples y basados en la experiencia y los precedentes,

consistían en utilizar enrocamiento sano en capas del orden de 1 m de

espesor, provenientes directamente de las voladuras realizadas en los

bancos de roca, sin prestar atención a la granulometría ni a los

parámetros de deformabilidad del enrocamiento. Tampoco se realizaban

análisis confiables que pudieran dar una idea de los niveles de


20


fundamentales

deformación y de esfuerzos que sufriría la cara de concreto durante el

llenado.

Sin embargo, los considerables agrietamientos de la cara de concreto y

las fuertes filtraciones asocidadas a ellos que presentaron los proyectos

de Barra Grande, Campos Novos y Mohale en el año 2005 y 2006,

construidos con los criterios antes descritos, indicaron que era necesario

revisar estos.

Por otro lado, el agrietamiento presentado por la presa de Aguamilpa

mostró que tampoco era conveniente manejar enrocamientos con

fuertes constrastes entre sus módulos de deformabilidad.

Todo lo anterior hizo evidente la necesidad de realizar estudios más

detallados de campo y laboratorio para caracterizar con mayor precisión

las caracteristicas de deformabilidad y resistencia al corte de estos

materiales, así como de la ejecución de análisis numéricos para poder

predecir el comportamiento esfuerzo-deformación de la presa y los

esfuerzos en la cara de concreto durante construcción y primer llenado.

En lo que sigue se describen la práctica utilizada en la CFE para el

estudio de las propiedades mecánicas de los materiales y el diseño de

una presa de ECC.

3.3.1 Pruebas de laboratorio índice

Gran parte de las características de deformabilidad de un enrocamiento

depende de sus propiedades físicas intrínsecas, tales como sanidad,

forma y dureza de los granos. En efecto, a menor dureza, mayor

angulosidad y mayor tamaño de grano, este sufrirá mayor rotura y por

tanto el enrocamiento será más deformable, mientras que

enrocamientos con granos duros, redondeados (como en los aluviones)

y del tamaño de las grava-arenas sufrirán menos rotura de partículas y

serán por lo tanto menos deformables (Marsal, 1972).

Sabemos que enrocamientos sanos y con granos duros (con carga de

rotura mayor que 10 kN y resistencia en compresión simple mayor que

75 MPa) podrán ser utilizados generalmente en la zona 3B en capas de

80 cm de espesor siempre que tengan una granulometría bien

graduada. Cuando se trata de aluviones, espesores de capa de 60 cm

son adecuados. Esto permite definir en primera instancia los espesores

de capa que utilizaremos en los pedraplenes de prueba para conocer los

modulos de deformación del enrocamiento.


21


fundamentales

En la Tabla 5 se muestran los resultados de las pruebas indice realizadas

para los materiales de El Cajón y La Yesca (aluvión y enrocamiento,

Vazquez, 2004, Pantoja, 2006, 2007). Se observa que la carga de

ruptura varío entre 3.5 kN (para las dacitas) a 10 kN (aluviones) en

condiciones saturadas, lo que los define como enrocamientos de grano

semi-duro a duro (Marsal 1972).

Material

Material

Carga de ruptura, en kN

Prueba

Dacita

Dacita

Gravas

Seca

Saturada

Fluidal

Porfirica

Absorción

< 2.25%

<2.2%

<2.3%

Gravas La Yesca

12

10

Intemperismo

Dacita Fluidal La

acelerado

< 1%

<9%

<5.3%

5

3.5

Yesca

Abrasion (Los

<12.5%

<14%

<17%

Angeles)

Dacita porfirica

4.8

4

La Yesca

Compresión no

132

76

confinada, en

Ignimbrita El

MPa

1.9 to 3.3

1.7 to 2.6

Cajón

Tabla 5. Resultados de pruebas de laboratorio de las gravas y los enrocamientos de La

Yesca

Cuando los enrocamientos son de granos blandos, es posible que se

requieran utilizar menores espesores de capas para lograr

enrocamientos poco deformables. Estos aspectos deben tomarse en

cuenta en el diseño de los pedraplenes de prueba.

3.3.2 Pedraplenes de prueba

Una vez que se localizaron y estudiaron los potenciales bancos de

materiales para la presa (aluvión y/o roca, Cedro, 2006) y determinado

sus propiedades índice (Resistencia en compresión simple, abrasión,

intemperismo acelerado, rotura de granos), se diseñaron pedraplenes

de pruebas enfocado a definir la granulometría, espesor de capa y

número de pasadas de los enrocamientos, y de aluvión, así como sus

características de deformabilidad.

Un primer aspecto que se definió antes de comenzar la construcción de

los pedraplenes de prueba de enrocamiento es que granulometría se

utilizará en los estudios. Cuando existen bancos de aluvión, como en La

Yesca, generalmente es posible utilizarlos de manera directa (“en

greña”), sin mayores tratamientos, ya que por la manera en que se

depositan estos materiales poseen una granulometría bien graduada que

al compactarse permite obtener materiales densos. En la fig. 11 se


22


fundamentales

observa la granulometría natural de los bancos de aluvión utilizados en

La Yesca y el perfecto acomodo que alcanzan estos materiales cuando

se les compacta.

Cuando se trata de enrocamientos, la granulometría se define con base

en precedentes, aunque para la Yesca se buscó que la granulometría

fuera similar a la del aluvión en greña. En la fig. 12 aparecen las

granulometrías del material 3B utilizado en diferentes presas. En

general, se busca obtener enrocamientos bien graduados, con

porcentajes de gravas altos (por arriba del 40%, y un cierto porcentaje

de arena (preferiblemente mayor que 15%) para lograr relaciones de

vacíos bajas , y por consiguiente, un material poco deformable.

Deben evitarse enrocamientos uniformes y muy angulosos, aún cuando

sean de roca muy dura como los basaltos, ya que serán altamente

deformables. Si no existe otra opción, será necesario emplear capas

mas delgadas y tamaños máximos menores que lo usual para reducir la

deformabilidad de este tipo de enrocamientos.

Por otro lado, un aspecto fundamental para obtener la granulometría

adecuada es la ejecución de voladuras de prueba en los bancos de roca,

cuyos arreglos se deben ir ajustando (altura del banco, espaciamiento y

número de la línea barrenos, longitud del taco superior, cantidad de

explosivo, etc.), hasta lograr una granulometría bien graduada y con los

tamaños máximos especificados.

Una vez definidos los bancos a utilizar para las pruebas y el arreglo de

las voladuras en los bancos de roca, es posible comenzar a construir el

pedraplén de pruebas.

a)

b)

Fig. 11 a) Granulometría natural de los bancos de aluvión en el PH La Yesca;

b) Acomodo del aluvión natural al ser compactado


23


fundamentales

En la fig. 13 se muestra una sección y en la fig. 14 una planta del

pedraplén utilizado para estudiar los aluviones del PH La Yesca. En

general tienen dimensiones en planta del orden de 50 x 50 m en la

base, y altura de 10 m, con el fin de lograr aplicar cargas significativas

por peso propio para poder medir la deformabilidad de los materiales

mediante extensómetros mecánicos. Un pedraplén similar se construyó

para estudiar los enrocamientos.

Fig. 12 Granulometrías de la zona 3B utilizadas en diversos proyectos

Fig. 13 Sección del pedraplén de aluvión utilizado en los estudios de La Yesca


24


fundamentales

Fig. 14 Planta del pedraplen de pruebas de aluvión de La Yesca

El pedraplén de prueba permitió confirmar que las granulometrías

especificadas son obtenibles de una manera económica, asi como definir

el número de pasadas óptima y las características de deformabilidad de

los materiales. Para lograr lo anterior, la instrumentación mediante

bancos de nivel flotantes y topografía de precisión son fundamentales.

Los pedraplenes tambien nos permitieron confirmar la importancia de

agregar agua para mejorar la compactación de los enrocamientos, los

cuales se compactaron agregando 250 l/m3 (litros de agua / volumen

del material). No así en los aluviones, los cuales no presentaron mejoría

al agregarseles agua, por lo cual fueron finalmente compactados en seco

En la Fig. 15 aparecen las curvas granulométricas promedio de los

materiales utilizados en el pedraplén de prueba, mientras que en la

tabla 6 se resumen los las relaciones de vacíos obtenidos en estos

pedraplenes.


25


fundamentales

Relación de vacíos del

Relación de vacíos de la grava-arena

enrocamiento*

Espesor de

Espesor de

capa, en m

Número de pasadas

capa, en m

Dacita

Dacita

fluidal

Porfírica

4

6

8

0.60

0.258

0.247

0.233

0.80

0.336

0.361

0.80

0.250

0.25

0.239

1.0

0.331

0.410

1.0

--

0.257

0.292

1.2

0.368

0.422

*, datos para 8 pasadas del rodillo

Tabla 6. Resultados de relaciones de vacíos obtenidos en los pedraplenes

Fig. 15 Curvas granulométricas promedio de los materiales utilizados en los

pedraplenes de prueba

Los módulos de elasticidad que aparecen en la tabla 6 fueron obtenidos

con base en las mediciones de los asentamientos del pedraplén

utilizando la siguiente ecuación:

(1)

Donde:

Ev, Módulo elástico vertical, en MPa;

H, Altura del enrocamiento por arriba del punto de medición, en m

h, Espesor del enrocamiento por abajo del punto de medición, en m

s, Asentamiento en el punto de medición


26


fundamentales

Módulo de deformación promedio

Espesor de capa,

E, en MPa

m

Dacita

Dacita

Gravel

fluidad

porfirica

0.60

277

0.80

256

148

174

1.00

246

135

158

1.20

126

150

Tabla 7. Módulos de elasticidad obtenidos en los pedraplenes de prueba

3.3.3 Pruebas de Consolidación en odometro gigante

Alberro (1996, 1998) con base en mediciones de la deformabilidad de

diversas presas construidas en México y en el análisis de los resultados

de pruebas de odometro gigante (de 1 m de diámetro), concluyó que en

respectivamente), las relaciones esfuerzo-deformación son lineales, por

lo que pueden utilizarse leyes constitutivas lineales para el cálculo

mediante análisis numéricos del campo de esfuerzos y deformaciones

durante la construcción de una presa.

Considerando lo anterior, para el diseño de las presas Aguamilpa, El

Cajón y La Yesca, se realizaron pruebas de odómetro gigante (en

probetas de 110 m de diámetro y 17 cm de tamaño máximo de

partícula) para los distintos materiales de cada una de las presas. Si

bien la prueba no es totalmente representativa de la deformabilidad de

un enrocamiento, por el efecto de escala, nos permite comparar de una

manera relativa la deformabilidad de distintos enrocamientos.

En la fig. 16 se presentan los resultados de módulos obtenidos en estas

pruebas para los materiales de la presa La Yesca.

En la gráfica se pueden observar dos aspectos. La menor deformabilidad

del aluvión comparada con el enrocamiento (1.5 A 3 veces menor), y

que al crecer el esfuerzo vertical siempre ocure un incremento del

módulo de deformación. Es decir, no existe un esfuerzo crítico a partir

del cual pueda haber un incremento súbito en la deformabilidad. Este

último aspecto es importante ya que en presas como Mohale, el módulo

de deformabilidad del enrocamiento se redujo drásticamente para

niveles de esfuerzos altos debido a la mayor rotura de granos.


27


fundamentales

0

40

Aluvión

a P 0

Dacita

M 30

n

porfirica

e,, E

Dacita fluidal

nó 020acimr

efod 010 de oludó0M

0.1

1

10

Esfuerzo vertical promedio, en MPa

Fig. 16 resultados de pruebas de consolidación unidimensional en odometro gigante y

mediano.

3.3.4 Pruebas triaxiales en probetas gigantes

Se ejecutaron también pruebas triaxiales en probetas de 30 cm de

diámetro y 70 cm de altura, con tamaño máximo de partícula de 5 cm.

Los resultados aparecen en la figura 17.

Se observan los clasicos alto valores del ángulo de fricción para bajos

esfuerzos de confinamientos, que es la característica por la cual la

estabilidad de los taludes una de presa de ECC poseen factores de

seguridad altos.

También se puede ver que los módulos tangente inicial, Eti, para

esfuerzos del orden de 1 MPa son relativamene altos para esfuerzos de

confinamiento por arriba de 1 MPa.


28


fundamentales

Figura 17. Resultados de las pruebas triaxiales tipo CD realizadas en diversos

materiales

3.4 Análisis esfuerzo-deformación para predecir el

comportamiento de la presa

3.4.1 Selección de parámetros de deformabilidad para análisis

Un aspecto fundamental para realizar un diseño racional de una presa

de ECC es la ejecución de análisis numéricos esfuerzo-deformación que

nos permitan predecir con suficiente precisión los asentamientos al

final de construcción y durante el primer llenado, así como los esfuerzos

a los que estará sometida la losa de concreto, para identificar

oportunamente algún riesgo de mal comportamiento de la presa.

El primer paso para un análisis exitoso es definir el modelo constitutivo

del enrocamiento y sus parámetros de deformabilidad asociados. Existen

un buen número de modelos constitutivos que tratan de reproducir el

comportamiento esfuerzo-deformación de estos materiales, de los

cuales los más simples son los que han dado mejores resultados, estos

son el modelo elástico-lineal, en el cual el parámetro representativo es

el módulo elástico lineal, E; y el model hiperbólico, el cual está definido

por la siguiente ecuación:

(2)

(

)

En donde:

E, Modulo de deformabilidad, en MPa,


29


fundamentales

E0, Modulo de deformabilidad para la presión de confinamiento pa, en

MPa,

Para los análisis de la presa La Yesca se optó por el modelo elástico

lineal. Para seleccionar los parámetros se tomaron tres criterios. En el

primero se seleccionó el módulo de elasticidad (Ec, módulo de

elasticidad durante construcción de la presa) directamente de la curva

ajustada de la figura 18 y para esfuerzos de confinamientos al centro de

cada una de las zonas de la presa; en el caso 2 el parámetro Ec se

seleccionó considerando sólo los valores obtenidos en los pedraplenes

de prueba, en los odómetros gigantes y los resultados del

comportamiento de Aguamilpa y El Cajón; finalmente el caso 3 se utilizó

un punto de vista conservador, empleando los valores mínimos de los

casos 1 y 2.

600

ALUVIÓN

DACITA FLUIDAL

500

DACITA PORFÍDICA

aP

Potencial (ALUVIÓN)

M ) anP

Potencial (DACITA FLUIDAL)

400

e M,(

Potencial (DACITA PORFÍDICA)

E , E, ,osciul 300

y = 215.35x0.3692

st událoe m

y = 163.82x0.4228

ol cit 200

u sdal

y = 159.11x0.2767

ó EM 100

0

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

Mean stress P, (MPa)

Esfuerzo de confinamiento medio, en MPa

Figura 18. Datos de módulos de elasticidad de todas las pruebas realizadas en los

estudios de La Yesca, ajustada de acuerdo a la ecuación 2.

.

Cabe comentar que para el análisis ante llenado del embalse, para el

caso 2 se consideró un módulo igual al doble que el utilizado durante

construcción (Pinto, 1998).

En la tabla siguiente se presentan los módulos de elasticidad

seleccionados para ser utilizados durante el análisis mediante métodos

númericos del comportamiento esfuerzo-deformación de la presa La

Yesca.


30


fundamentales

Peso

Relación

E

Material

c

Ell

Volumétrico de poisson

kN/m3

MPa

MPa

1*

171

226

3B, Gravas

2*

20.7

0.2

240

480

3*

171

342

1*

153

169

T,

2*

19.5

0.2

130

260

Enrocamiento

3*

115

230

1*

119

129

3C,

2*

18.5

0.25

85

170

Enrocamiento

3*

85

170

*, Caso 1: Promedio considerando pruebas de campo y laboratorio; Caso 2:

Promedio tomando en cuenta pedraplenes de prueba y comportamiento de

Aguamilpa y el Cajón; Caso 3: Valores mínimos esperados

Tabla 8. Parámetros utilizados en los análisis del comportamiento

De la presa La Yesca

3.4.2 Análisis esfuerzo-deformación

En la figura 18 se muestra la malla de elementos utilizada en los

análisis. Estos fueron realizados con el programa de diferencias finitas

Flac 3D (Itasca, 2002). La losa de concreto fue simulada con elementos

placa. No se simularon las juntas verticales ni la perimetral típicas de

estas losas, condición conservadora ya que las juntas reducen

considerablemente los esfuerzos en estas losas.

Fig. 19 Malla de elementos para análisis con el método de diferencias finitas


31


fundamentales

En las figuras 20 y 21 se muestras los desplazamientos totales para fin

de construcción y llenado para el caso 2. Asimismo, en la tabla 9 se

muestra un resumen de los resultados más relevantes de los análisis.

Fig. 20 Contornos de desplazamientos totales al final de construcción para el caso 2

(desplazamiento máximo = 82 cm. Desplazamiento al centro de la zona 3B = 35 cm )

Fig 21 Contorno de desplazamientos totales debido a llenado (máximo desplazamiento

calculado = 17.5 cm)

La conclusión más relevante de estos análisis fue que no existía un

riesgo de mal comportamiento de la losa de concreto, ya que aún para

la condición mas conservadora los desplazamientos y esfuerzos a los

que estaría sujeta estaban por abajo de los admisibles.


32


fundamentales

Tabla 9. Resumen de resultados más relevantes de los análisis

Otro aspecto que permitió definir los análisis fue la posición de las

juntas de tensión y compresión de la cara de concreto, tal y como se

muestra en la figura 22.

Esfuerzos de

tensión

horizontales

Esfuerzos de

compresión

horizontales

Figura 22. Zonas de tensión y Compresión en la cara de concreto.

Finalmente, con base en los estudios y analisis realizados, se definió la

zonificación para la Presa La Yesca que aparece en la figura 23 y las

especificaciones para los materiales mostrados en la tabla 10 y la fig.

24.


33


fundamentales

Figura 23. Sección Máxima y zonificación utilizada en la presa La Yesca

Numero

Espesor de

Zona

Tipo de compactación

de

capa, m

pasadas

1B

0.3

Compactada con tractor

NA

2F

0.3

10.6 Ton RLV / 10 ton placa NPK

6

21

0.3

10.6 Ton RLV/ 10 ton placa NPK

8

3B2

0.6

12.2 Ton RLV

6

T3

0.8

12.2 Ton RLV

6

3C3

1.0

12.2 Ton RLV

6

4

NA

Colocado con Retroexcavadora

NA

1, Granulometría de acuerdo a lo indicado en el inciso 3.3, tabla 4; 2, Grava arena en

greña, compactada en seco 3, Enrocamiento compactado agregando 250 l de agua por m3 de

material

Tabla 10, especificaciones de compactación de los materiales utilizados en La Yesca

T

3C

3B

Figura 24. Bandas granulométricas especificadas para los materiales de la Presa

La Yesca


34


fundamentales

3.5 Comportamiento de la presa La Yesca

3.5.1 Propiedades índice de los materiales utilizados en la Presa

En la tabla 11 aparecen las especificaciones y características de los

materiales utilizados en las presas Aguamilpa, El Cajón y La Yesca,

mientras que en la fig. 24 y en la Tabla 11 se muestran las curvas

granulométricas de los materiales 3B y T, y el resumen de las

propiedades índice promedio de los materiales utilizados en La Yesca.

Se observa que en cuanto granulometría, la diferencia más fuerte entre

los materiales 3B y T es el porcentaje de arena, que para el primero fue

de 17% y para el segundo de 9%. Este aspecto, así como tambien la

forma de los granos, parece explicar la diferencia considerable en la

relacion de vacíos promedio de estos materiales (0.18 para el 3B y 0.28

para el T).

Tipo de material y

Tipo de

Numero

Zona

espesor de capa

Compactación

de

m

pasadas

Agua-

El Cajón y

Aguamilpa

El Cajón

La Yesca

Aguamilpa

El Cajón y La Yesca

milpa

La Yesca

Aluvión

Aluvión

Aluvión 10.6 ton RLV/ 10 ton

10.6 ton RLV/ 10 ton placa

2

---

---

0.3

0.30

0.3

placa vibratoria NPK

vibratoria NPK

12.2 ton VR agregando 200 l/m3

Enrocamiento Grava

3B

Grava

10 ton RLV seco

de agua en El Cajón y seco en

4

6

0.6

0.8

0.6

La Yesca

Enrocamiento

Enrocamiento

Enrocamiento


T

10 ton RLV seco

4

6

0.6

1.0

0.8

de agua

Enrocamiento Enrocamiento

Enrocamiento


3C

10 ton RLV seco

4

6

1.2

1.2

1.0

de agua

Colocado con

Colocado con

4

NA

NA

NA

NA

NA

retroexcavadora

retroexcavadora

Tabla 11. Especificaciones de construcción y caracteristicas de los materiales utilizados

en Aguamilpa, El Cajón y La Yesca.

GRAVA

ARENA

FRAGMENTOS DE ROCA

PARTÍCULAS FINAS

GRAVA

ARENA

GRUESA

FINA

GRUESA

MEDIA

FINA

FRAGMENTOS DE ROCA

PARTÍCULAS FINAS

GRUESA

GRUESA

FINA

MEDIA

FINA

HIDRÓMETRO

MALLAS ASTM

HIDRÓMETRO

MALLAS ASTM

0

0

0

0

"

"

"

0

0

"

"

"

"

"

"

0

0

0

0

0

0

3

"

"

"

"

"

"

"

4

2

4

0

0

0

0

1

2

3

0

0

1

"

"

"

"

4/

2/

4

1

2

4

6

1

2

4

03

02

11

7

5

3

2

/

1

2

4

6

7

5

3

2

3

/1

#

#

#

#

#

#

#

4

3

2

1

3

1

#

#

#

#

#

#

#

100

100

Limite Inferior Material " T "

Limite Inferior Material " T "

Limite Inferior Material " 3C "

90

Limite Inferior Material " 3C "

90

Limite Inferior Material " 3B "

Limite Inferior Material " 3B "

Limite Superior para los tres Materiales

Limite Superior para los tres Materiales

80

80

70

70

o

PROMEDIO

o

PROMEDIO

s

s

e

e

p

p

n

n

e

e 60

60

;

;

a

a

s

s

a

a

p

p

e

e

u

u

50

50

q

q

e

e

j

j

a

a

t

t

n

n

e

e

c

c

40

r

r

40

o

o

P

P

30

30

20

20

10

10

0

0

10000.00

1000.00

100.00

10.00

1.00

0.10

0.01

10000.00

1000.00

100.00

10.00

1.00

0.10

0.01

Tamaño del grano en, mm

Tamaño del grano en, mm

Figura 25. Curvas granulométricas de los materiales 3B y T utilizados en La Yesca


35


fundamentales

Material

Relación

q

Abs.

Abr.

i

Granulometría promedio

u

de vacíos,

MPa

%

%

%

%

% de

% de

% finos

E

particulas

grava

arenas

> 75 mm

s

2

0.17

0

56

36

8

3B

0.18

84

1.9

10

1.6

43

37

17

3

T

0.28

76

2

17

2.8

41

48

9

2

3C

0.29

76

2.3

17

2.8

41

46

10

3

qu, Resistencia no confinada, en MPa; Abs., Absorción; Abr., Abrasión; i, Intemperismo

acelerado.

Tabla 11. Valores promedio de propiedades índice y granulometrías de los materiales

utilizados en La Yesca.

Puede observarse que los materiales T y 3C practicamente fueron

iguales. Esto se debió a que el constructor decidió por conveniencia

constructiva utilizar la misma granulometría y practicamente el mismo

espesor de capa para ambos materiales.

Puede concluirse que los materiales de la Presa La Yesca fueron

enrocamientos sanos, bien graduados, de granos duros (aluvión) a

semiduros (dacita), con relaciones de vacíos relativamente bajas, por lo

que era de esperar asentamientos bajos al final de construcción y una

deformación pequeña de la cara de concreto ante llenado.

3.5.2 Asentamientos y gastos de filtración medidos en la presa.

En la fig. 25 se observan los contornos de igual asentamiento medidos

en la presa La Yesca desde el inicio de su construcción. El asentamiento

máximo medido fue de 97 cm, aproximadamente a mitad de la altura de

la presa, en la frontera entre el material T y el 3C, para un tiempo de

construcción de 33 meses, mientras que los análisis realizados dieron

valores de asentamiento máximo de entre 70 y 92 cm (ver fig. 20 y

Tabla 9).

Los asentamientos medidos al centro de la zona 3B fueron del orden de

40 cm, mientras que los análisis para el caso 2 dieron valores de 35 cm.

Como punto de comparación cabe mencionar que la presa Mohale, de

145 m de altura construida en Sudafrica, presentó un asentamiento

máximo de 3 m al final de construcción, y de 1.3 m al centro de la zona

3B, mientras que durante su primer llenado la cara de concreto se

deformó 50 cm. Mohale presentó filtraciones del orden de 600 l/s y

requirió de reparaciones mayores para reducirlas a valores aceptables

(Johanneson, 2007). El desplazamiento total de la cara de concreto de


36


fundamentales

La Yesca medido hasta ahora es menor que 15 cm para una carga de

agua de 163 m (Hernandez, 2012).

Fig. 26 Contornos de igual asentamiento al final de construcción para la Presa La Yesca

(cortesía Subgerencia de Seguridad de Estructuras, GEIC-CFE).

En la fig. 27 se presentan las filtraciones para diferentes niveles de

embalse para las La Yesca, para una carga hidraulica ligeramente por

arriba de 160 m presenta una filtración del orden de 88 l/s (Moreno,

2012), y se estima que para el embalse al nivel del NAMO esta filtración

será del orden de los 100 l/s.

Figura 27. Gastos de filtración medidos en las presas de Aguamilpa, El Cajón y LA

yesca durante el primer año de operación (cortesía Subgerencia de Seguridad de

Estructuras, GEIC CFE).


37


fundamentales

Cabe comentar, como punto de comparación, que las filtraciones máximas de las

presas de Mohale, Barra Grande y Campos Novos, durante el primer llenado fueron de

600 l/s, 1300 l/s y 1300 l/s, respectivamente. Estas presas sufrieron daños

considerables en las losas de concreto por esfuerzos de compresión excesivos (Yang,

2011).

4. Conclusiones

Con base en la experiencia adquirida en el diseño y construcción de las

presa de El Cajón y La Yesca, comentada en los incisos anteriores, es

posible concluir lo siguiente:

- Las presas de ECC de gran altura (más de 150 m) no pueden

diseñarse atendiendo exclusivamente a la experiencia (método

empírico), sino que para garantizar su buen comportamiento

deben realizarse estudios exhaustivos de campo y laboratorio para

definir las caracteristicas de los materiales que la compondrán y

para seleccionar adecuadamente sus parámetros de resistencia y

deformabilidad, asi como ejecutar análisis númericos esfuerzo-

deformación que permitan predecir con una precisión adecuada el

comportamiento futuro de la presa.

- La experiencia seguirá siendo fundamental al momento de decidir

los tipos de materiales que se utilizarán en la presa, asi como sus

granulometrías.

- El material 2B, que soporta la losa debe contener un contenido de

de finos no plasticos entre 6 y 12 %, para garantizar una

permeabilidad menor que 1 x 10-3 cm/s, y poseer la

granulometría recomendada por CFE que aparece en la tabla 4.

- El material 3A debe diseñarse como filtro del material 2B, para lo

cual se podrá tomar en cuenta la granulometría integral de este

último material. Las granulometrías que aparecen en la fig. 11,

con tamaño máximo de hasta 20 cm, porcentaje de arena mayor

que 30% y porcentaje de finos menor que 3 a 5 % garantizan una

cumplir adecuadamente con la función de retener y drenar

adecudamente al material 2B.

- La selección del modelo constitutivo y de los parametros de

deformabilidad de los materiales de la presa son, evidentemente,

los puntos más importante del análisis del comportamiento

esfuerzo deformación de la presa.

- Para definir con suficiente precisión estos parámetros, es

necesario realizar pedraplenes de prueba y ensayos de odometro

gigante, asi como tomar en cuenta el comportamiento de las

presas ya construidas.

- El uso de aluviones o enrocamientos sanos, de granos duros o

semiduros, bien graduados, con porcentajes de arena


38


fundamentales

preferiblemente mayor que 15% y porcentaje de gravas por arriba

de 40%, permiten obtener bajas relaciones de vacíos y, por lo

tanto, altos módulos de deformabilidad.

- Deben evitarse enrocamientos uniformes, con bajos porcentajes

de arena y de gravas, ya que serán altamente deformables.

- Es importante que las pruebas de odometro gigante de los

enrocamientos y los aluviones se lleven a presiones similares o

mayores que las reales, para garantizar que a ese nivel de

presiones no se incrementará la rotura de granos y no se

presentará un incremento súbito en la deformabilidad de estos

materiales.

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Documents

Diseã‘o geotecnico de_presa_enrocado