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Web: www.geoinstrumentsinternational.com; email ventas: [email protected]
INSTRUMENTACIÓN GEOTÉCNICA DE PRESAS Dam Geotechnical Instrumentation
Medina Huallpa, Franklin, Ing. Geológo, Msc. Gerente del Área de Geotecnia e Instrumentación Geotécnica, Geoinstruments International S.A.C., Lima,
[email protected], [email protected]
Choque Quispe, Keli Roxani. Geológo-Geotécnico del Área de Geotecnia e Instrumentación Geotécnica, Geoinstruments International S.A.C., Lima,
Ysuiza Romero, Jorge Armando. Geólogo-Geotécnico del Área de Geotecnia e Instrumentación Geotécnica, Geoinstruments International S.A.C., Lima,
[email protected], [email protected]
RESUMEN
El presente artículo se enfoca en definir la instrumentación geotécnica necesaria para la construcción de una
presa y sirva de metodología en el diseño de la instrumentación geotécnica. Se investigó las necesidades de
monitoreo que se presentan en los distintos tipos de presas, el tipo de instrumentación que se utiliza y su
ubicación en el cuerpo de la presa. Dicha instrumentación garantizará un correcto control y monitoreo de los
fenómenos que se desarrollan durante la construcción y post-construcción como la infiltración del agua a través
de la estructura de retención, movimientos horizontales o verticales, asentamientos, deformaciones, presión de
poros generados por el agua, estos parámetros geotécnicos deben ser siempre analizados para conocer como se
comportará la obra en el tiempo. Un proyecto que contenga todos estos instrumentos tecnológicos podría tener
un alto costo; el mejor diseño no necesariamente es el que contiene mayor número de equipos geotécnicos, un
buen diseño de instrumentación es la que debe optimizar el número y tipo de instrumentos a colocar controlando
estrictamente lo necesario, pero sin dejar de lado la seguridad del proyecto. Finalmente, con esta información
se procede brindar una posible localización de la instrumentación y la descripción específica de los instrumentos
necesarios para una presa.
ABSTRAC
This article focuses on defining the geotechnical instrumentation required for the construction of a dam and serve
as a methodology in the design of geotechnical instrumentation. Investigated monitoring needs presented in
different types of dam, the type of instrumentation used and its location in the body of the dam. This
instrumentation will guarantee correct control and monitoring of phenomena that are developed during
construction and post-construction as water infiltration through the retention structure, horizontal or vertical
movements, settlements, deformations, pore pressure generated by the water, these geotechnical parameters must
always be evaluated to as the work will behave over time. A project containing all these technological instruments
could have a high cost; the best design is not necessarily the one that contains the largest number of geotechnical
equipment, instrumentation good design is the one to optimize the number and type of instruments will strictly
controlling necessary, but without neglecting the safety of the project. Finally, this information is necessary to
provide a possible location of the instrumentation and specific description of the instruments necessary for a
dam.
Palabras Clave: presa de tierra, presa de concreto, instrumentación, monitoreo, nivel freático, presión de poros.
1. Introducción
En la actualidad debido a la aparición de nuevas necesidades
para cumplir con los requerimientos de la sociedad, se han
construido grandes infraestructuras como por ejemplo: Presas
de relaves, Pad de lixiviación para minería; Presas de agua,
entre otros proyectos de construcción; que por su importancia
deben ser controladas a través de un programa de
instrumentación para ser monitoreados y controlar el buen
funcionamiento de las presas, es en ese sentido se generan
interrogantes como: ¿Cuánto de presión hidrostática presenta?,
¿Cuánto se ha asentado? o ¿Cuánto se ha desplazado? Es allí
donde la instrumentación Geotécnica juega un papel
importante proporcionando información útil para mantener
márgenes de seguridad y alertar ante cualquier situación de
riesgo, de esa manera tomar las mejores decisiones para
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realizar medidas correctivas y solucionar los inconvenientes
presentados.
2. Instrumentación Geotécnica
La Instrumentación Geotécnica tiene como uno de sus
objetivos básicos medir la respuesta del terreno ante
determinadas variaciones, que puedan ocurrir en las
condiciones de su entorno, las cuales pueden ser debidas a la
ejecución de obras de ingeniería y fenómenos naturales. La
mayoría de movimientos significativos se clasifican como
vertical, horizontal (traslacional) y rotacional. Los
movimientos verticales, son los indicadores de asentamientos.
Los movimientos horizontales o traslacionales se refieren a
movimientos que son aproximadamente perpendiculares al eje
de la presa.
Aunque las presas son muy similares en sus características, el
diseño de la instrumentación varia para cada una de ellas, pero
en general, lo mínimo que se plantea instalar para un control
adecuado son piezómetros de cuerda vibrante, piezómetros
hidráulicos Tipo Casagrande, celdas de asentamiento,
inclinómetros y acelerógrafos. Por lo que la marca, cantidad y
ubicación serán determinadas para obtener datos y resultados
suficientes y de calidad.
A continuación, presentamos los diseños típicos, según el tipo
de presa que se presente.
Diseño de Instrumentación típica de una Presa de Tierra.
Figura 01: Detalle del diseño de Instrumentación típica de una
Presa de Tierra. Fuente: www.geokon.com (con fines Ilustrativos
Diseño de Instrumentación típica de Presa de concreto.
Figura 02: Detalle del diseño de Instrumentación típica de una
Presa de Concreto. Fuente: www.geokon.com (con fines Ilustrativos)
2.1. Sistema de Cuerda Vibrante
Son transductores de presión que funcionan utilizando la
frecuencia de vibración de un alambre conectado a un
diafragma metálico flexible. Esta se rige a la siguiente
ecuación.
Donde:
f: Frecuencia de Resonancia (Hz)
L: Longitud del alambre
t: Tensión del alambre
m: Masa por unidad de longitud del alambre
m
t
Lf
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Figura 03: Esquema típico del funcionamiento de
Cuerda vibrante. Fuente: RST Instruments Ltd.
Los sensores de cuerda vibrante tienen ventajas únicas en
aplicaciones geotécnicas, como son: La salida de frecuencia del
medidor es inmune al ruido eléctrico externo, capaz de tolerar
cableado húmedo sin degradación de la señal, y capaz de
transmitir la señal de hasta 1,6 kilómetros sin pérdida.
3. Piezómetros
Los piezómetros son instrumentos utilizados para medir
presiones de agua durante la construcción y funcionamiento de
una presa, también se utiliza para medir el nivel de la superficie
freática producida por la infiltración del agua a través de los
taludes y cimientos relativamente permeables de la estructura.
3.1. Piezómetro de tubo abierto Tipo Casagrande
Estos son pozos de monitoreo que sirven para medir el nivel
piezométrico del agua subterránea o nivel freático y se basan en
el principio de diferencia de presiones del agua dentro de un
terreno. Estos piezómetros consisten en perforaciones o
sondeos que atraviesan el nivel freático seguido por la inserción
de un revestimiento de PVC de 2” de diámetro, ranuradas en el
fondo para que pueda ingresar el agua subterránea que se
requiere medir y se coloca un filtro de arena alrededor de la
tubería piezométrico. El nivel de agua se mide con un detector
de nivel de agua (Water level), las medidas son tomadas
directamente desde la superficie lo cual permite determinar el
nivel piezométrico del agua subterránea.
Figura 04: Esquema típico de instalación Piezómetro de
Tubo Abierto o Tipo Casagrande. (a) Medidor de nivel
de agua; (b) Tubería lisa y (c) Tubería ranurada.
Figura 05: Instalación de un piezómetro de tubo abierto.
Figura 06: Se observa la medición del nivel freático
empleando el Water Level.
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Figura 07: Detalle de la medición realizada en campo
con ayuda del Water Level.
3.2. Piezómetro de Cuerda Vibrante
Es un transductor de presión, diseñado para mediciones remotas
del nivel piezométrico y de presión de poros en sondeos durante
largos periodos de tiempo. La señal de salida es una señal de
frecuencia, no afectada por la impedancia de línea y la
resistencia de contacto, lo que permite la transmisión a través
de distancias largas.
Fórmula Lineal:
P(Kpa)= C.F.x(Li-Lc)-[(T.K.x(Ti-Tc)]+[(0.10x(Bi-Bc)]
Factores de Calibración de Fábrica
T.K.=Sensor Temperature Correction Factor (m/°C)
Bi=Presión Barométrica Inicial (Kpa)
Bc=Presión Barométrica Actual (Kpa)
C.F.= Factor de calibración Lineal
Lectura inicial Digits "B" Units
Lectura actual "B" Units
C.F.(Kpa/B)= Valor de acuerdo a cada sensor.
T.K.(Kpa/°C)=Valor de acuerdo a cada sensor.
Figura 08: Esquema típico de instalación de Piezómetro
de Cuerda vibrante. (a) Medidor de cuerda vibrante y
(b) Piezómetro de cuerda vibrante.
Figura 09: Instalación de Piezómetro de Cuerda
Vibrante (Instalación en pozo vertical).
4. Celdas de Cuerda Vibrante
4.1. Celdas de Asentamiento
Las celdas del control de asentamiento están diseñadas para
medir los movimientos verticales diferenciales entre dos
puntos. Mediante un tubo doble relleno de líquido se conectan
las celdas colocadas en los puntos que se quieren instrumentar
con un depósito situado en un punto de referencia estable.
Transductores eléctricos de cuerda vibrante, colocados sobre
placas metálicas, miden la presión del líquido en los tubos,
proporcionando una medida de la diferencia de elevación entre
el depósito de referencia y cada una de las placas de
asentamiento. FÓRMULA LÍNEAL
∆m = C.F. x (Li -Lc) - [T.K.m x (Ti-Tc)] + ∆Rm - [(0.0953 x (Bi - Bc)]
T.K.m = Sensor Temperature Correction Factor (m/°C)
Bi = Presión Barométrica Inicial (Kpa)
Bc = Presión Barométrica Actual (Kpa)
C.F. = Lineal Calibration factor (m.)
Li = Lectura inicial Digits "B" Units
Lc = Lectura Inicial Actual "B" Units
∆Rm = Reference Error correction in meters
C.F. (m) = Valor de acuerdo a cada sensor
T.k. (m/°C) = Valor de acuerdo a cada sensor
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Figura 10: Esquema típico de instalación de Celda de
asentamiento de Cuerda vibrante. (a) Celda de
Asentamiento de cuerda vibrante y (b) Reservorio. Fuente: RST Instruments Ltd.
Figura 11: Celda de Asentamiento de cuerda vibrante VW-2100.
4.2. Celdas de Presión
La celda de presión está designada para medir la presión total
en rellenos de tierra y terraplenes. Todas las celdas están
compuestas por dos placas circulares de acero inoxidable
soldadas en su perímetro y con una separación que contiene una
estrecha cavidad con aire y aceite. Cambiando la presión del
suelo, ésta oprime las dos placas lo que origina el
correspondiente incremento de presión del fluido dentro de la
celda.
El transductor de presión de cuerda vibrante convierte esta
presión en una señal eléctrica la cual se transmite como
frecuencia por cable a la consola lectora.
En una presa las celdas de presión son dispositivos neumáticos,
instalados en el hormigón del muro de separación con el
vertedero, para medir las presiones ejercidas por el relleno sobre
dicha estructura.
Fórmula Lineal
P(Mpa) = C.F. x (Li -Lc) + [(0.0001x (Bi - Bc)]
Bi = Presión Barométrica Inicial (Kpa)
Bc = Presión Barométrica Actual (Kpa)
Li = Lectura inicial Digits "B" Units
Lc = Lectura Inicial Actual "B" Units
C.F.= Lineal Calibration factor
C.F. (Mpa/B) = Valor de acuerdo a cada sensor
Figura 12: Celda de Presión Total de cuerda vibrante. Fuente: RST Instruments Ltd.
Figura 13: Celda de Presión Total de cuerda vibrante con
montura axial (Izquierda), variación con soportes de montaje
(Derecha). Fuente: RST Instruments Ltd.
(b)
(a)
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Figura 14: Esquema típico de instalación Celda de Presión de
Cuerda vibrante. Fuente: RST Instruments Ltd.
5. Inclinómetros
Los Inclinómetros constituyen uno de los principales métodos
de medición de desplazamientos laterales y en general, de
control de deformaciones de terreno. Consisten en medir las
inclinaciones en intervalos constantes a lo largo de todo el
interior de un sondeo mediante una sonda que transmite una
señal digital proporcionada por dos sensores MEMS
acelerómetros.
Las diferencias entre las medidas registradas en intervalos de
0.5m, permiten identificar y cuantificar los movimientos
transversales al sondeo, es decir los desplazamientos
horizontales. Los datos del inclinómetro son usados en conjunto
con los datos del piezómetro y poder evaluarlos más
precisamente. En una Presa los inclinómetros detectan
movimientos en el lado aguas debajo de la presa y monitorean
la estabilidad de taludes en el lado aguas arriba, particularmente
durante el embalse. También ayudan a identificar la zona de
corte en la cimentación.
Figura 15: Se observa que los desplazamientos horizontales
registrados están regidos por la siguiente fórmula: D=LxSenα.
Figura 16: Esquema típico de instalación de un pozo inclinométrico
en un talud.
Figura 17: Se muestra la sonda inclinométrica digital (torpedo)
conectada a un carrete (100m de cable), posee una precisión
de ± 2 mm por 25 m.
Sistema Digital de Inclinómetro MEMS RST y
Software Inclianálisis
El sistema digital de inclinómetro MEMS RST y el Software
Inclianálisis (Kit digital inclinométrico) ofrecen una
combinación didáctica y poderosa para la reducción rápida y
eficiente de grandes volúmenes de datos del inclinómetro. Los
datos pueden ser analizados y presentados rápidamente en una
variedad de formatos.
El Software Inclianálisis es potente, pero fácil de usar. El
trazado, la manipulación de los datos y la impresión y
visualización de los mismos son realizados con unos pocos
clics que se hacen sobre la pantalla de un dispositivo ultra
resistente que es el recolector de datos (PDA o PC2 de campo).
Las opciones del Menú y Graficar funciones están diseñadas
para que el programa sea intuitivo y muy fácil de aprender. El
Software Inclianálisis está diseñado para complementar el
Sistema Digital de Inclinómetro MEMS RST. Los datos se
organizan en una estructura de archivos estándar que
desarrollan una importación transparente de datos entre el
Software Inclianálisis y el ultra-resistente recolecto de datos de
campo.
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Figura 18: Gráfico de desplazamientos acumulados obtenido de
medición inclinométrica.
Figura 19: Esquema típico de instalación de un pozo
inclinométrico. (a) Pocket de mano; (b) Carrete; (c) Sonda
Inclinométrica; (d) Tubería inclinométrica y (e) Tapas de tubería.
Figura 20: Se muestra el Kit digital inclinométrico (Sonda
inclinométrica con accesorios, PC2 de campo, carrete con cable.
6. Dataloggers
Los Dataloggers son sistemas de adquisición de datos que
ofrecen mucha flexibilidad y ciertamente son atractivos cuando
se requieren altas tasas de muestreo; principalmente se encarga
del registro y análisis de datos en tiempo real de diversos tipos
de instrumentación geotécnica que son utilizados en el diseño
de una presa, Pad de lixiviación, túneles, puentes, entre otras.
Son unidades de registro automatizado que pueden recopilar
datos en forma independiente de un ordenador. Los datos
normalmente se recopilan en memoria no volátil para descargar
posteriormente a un ordenador.
La computadora no necesita estar presente durante el proceso
de recolección de datos. Esto hace que sean ideales para
aplicaciones en lugares remotos que necesitan sistemas
modulares de medida (Utilizamos un Hardware Dataloggers y
los acondicionamos según las necesidades de cada proyecto),
control y monitorización de la instrumentación geotécnica de
una presa.
(a) (b)
Figura 21: Unidades lectoras: (a) Datalogger de un canal DT2011B y
(b) Datalogger de 5 canales DT2055B. Fuente: RST Instruments Ltd.
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6.1. Datalogger DT2011B
El DT2011B de un solo canal de Cuerda Vibrante Data Logger
posee pilas que registran los datos, diseñado para una
vigilancia automática de un solo sensor de cuerda vibrante con
termistor. Es ideal para ubicaciones remotas o instrumentos
que requieren de adquisición de datos de manera fiable y
frecuente. Se conecta a todos los sensores de cuerda vibrante,
incluyendo piezómetros, medidores de grietas y medidores de
tensión. El DT2011B puede estar equipado con una antena de
radio opcional para incorporarlo en un sistema de enlace
inalámbrico DT Link o Rstar.
6.2. Datalogger DT2055B
El DT2055B está diseñado para la monitorización fiable, sin
supervisión. Típicamente se conectan 5 sensores de cuerda
vibrante con sus termistores asociados. Es ideal para
ubicaciones remotas o instrumentos que requieren de registro
de datos fiable frecuentes. Se conecta a todos los sensores de
cuerda vibrante, incluyendo piezómetros, crack meters, y
medidores de tensión.
6.3. Antena L 900
Es una antena receptora de radio que sirve para incorporarse a
los Datalogger DT2011B, DT2055B, etc; transmitiendo la data
recogida por medio de un sistema de enlace inalámbrico. Se
sustenta en la tecnología R-Star de RST, la cual emplea la
tecnología inalámbrica para proporcionar la adquisición de
datos automatizada y permitir la recolección inalámbrica de
datos en áreas de difícil acceso.
Figura 22: Sistema de radio R-Star con antena L 900 para diversos
Dataloggers.
6.4. DT Link
Es un dispositivo de comunicación remota para los Data
Loggers de RST. Es fácil de configurar y utilizar, los
componentes son: DT Link Hub, un cable USB y una laptop.
El DT Link es un sistema que utiliza una central portátil (HUB)
que colecta datos en diferentes puntos y ubicaciones. La unidad
móvil se conecta a una laptop para descarga de datos.
Figura 23: Componentes del sistema DT Link (DT Link HUB, un
cable USB y una laptop).
Características:
Accesible a través de línea de visión y transmisión de
datos punto a punto.
Configuración simple, el HUB se conecta
rápidamente a los DataLogger cercanos.
Antena YAGI para aumentar el rango de distancia de
transmisión.
Consumo de energía muy bajo.
Compatible con el Software RST Multichannel DT
Link.
El DT Link HUB utiliza una batería de litio cuya
longevidad se estima en 2 años según la frecuencia de
uso y número de canales conectados.
Figura 24: Se observa en la imagen que se requiere de una línea de
vista entre el HUB y los DataLoggers con antena.
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Ventajas:
Adecuado para lugares donde los Datalogger son de difícil
acceso, pero es necesaria la recolección de datos. Estas zonas
son aquellas donde hay riesgos de accidentes, zonas donde hay
riesgo de derrumbe de rocas, zonas restringidas por exposición
a zonas tóxicas o exposición a animales peligrosos, etc.
Figura 25: Colección de datos en áreas con acceso restringido.
Figura 26: Colección de datos en complejos habitacionales.
Figura 27: Se colecta datos en paredes rocosas, en minas
subterráneas o a cielo abierto.
7. Automatización
Un sistema Automatizado de Adquisición de Datos permite
linealizar las señales dependiendo de la respuesta de la señal a
controlar. Para la transmisión de datos se puede programar
un “scheduler” a medida. Dicho “scheduler” envía los datos
registrados de los instrumentos monitoreados periódicamente
de manera automática en su memoria interna, para que la
transmisión de los datos sea precisa y sincronizada, la data será
descargada por puerto serial a una PC para ser visualizada a
través del software especializado de Campbell Scientific.
Figura 28: Dataloggers de registro automático capaz ser
automatizados para procesar la data cruda y entregarla en unidades
de ingeniería.
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Figura 29: Automatización de sensores de cuerda vibrante
(piezómetro, celda de asentamiento y celda de presión) en un
Datalogger CR 1000.
8. Telemetría
La telemetría permite el diseño de redes de telecomunicaciones
y brinda el apoyo necesario en la implementación de equipos
capaces de transmitir información procedente de todo tipo de
sensores, de forma precisa, calibrada y fiable, sin ruidos ni
interferencias; desde lugares distantes o remotos a través de
redes inalámbricas como Radio Frecuencia, GPRS (red celular),
Satelital.
Figura 30: Sistema de telemetría (antena receptora, gabinete,
programa de descarga de datos).
Figura 31: Software Geoviewer, visualización de datos en tiempo
real.
7.1 RSTAR
La Tecnología inalámbrica de RST provee adquisición de datos
de manera continua con un alcance de recepción de 20 km en
campo abierto. Los sistemas R-STAR permiten monitorear
varios tipos de instrumentos de manera remota aumentando la
eficiencia.
Figura 32: Esquema típico del programa GeoViewer para la
visualización de datos en tiempo real.
Las Redes R-STAR son fácilmente incorporadas en
el Sofwtare Geoviewer de RST.
Además, cuenta con funciones web utilizando internet
para acceder a la data desde cualquier dispositivo
móvil.
Existen diferentes configuraciones de gabinetes para los
equipos R-Star.
Figura 33: Diagrama típico de configuración para sistema
R-STAR L900.
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Figura 34: Panel solar como fuente de energía (Izquierda).
Gabinete típico para sistema L900 con panel solar y antena
YAGUI.
9. Conclusiones
Un resultado integral de todas las mediciones que se
puedan obtener en el control y monitoreo de la presa,
servirá para generar un análisis detallado de las
operaciones de mantenimiento que se deban efectuar
en un futuro. Así, la subsistencia de la obra siempre
estará previsto en planes de contingencia en caso de
ser necesario y se evitará reparaciones de última hora
y temporales.
La instrumentación geotécnica diseñada en una presa
avanza según nuevas tecnologías mediante un sistema
de integración que incluye un software a medida,
logrando procesos autónomos, seguridad en el manejo
de la información, almacenamiento de las mediciones
en bases de datos o envió a los usuarios directos.
La tecnología actualmente juega un papel importante
para automatizar la instrumentación geotécnica y a la
vez reducir costos de monitoreo obteniendo los datos
en tiempo real e incluso dar alertas en un tiempo más
corto que el programa manual de monitoreo, sirviendo
esto para tomar una decisión óptima frente a la
problemática que pueda presentarse y evitar
fenómenos catastróficos como la ruptura de una presa.
10. Referencias
John Dunnicliff, “Geotechnical Instrumentation For
Monitoring Field Performance”, EE.UU (1993).
Carlos Alberto Beltrán Tenorio y Juan José Vintimilla
Sánchez, “Estudio de la Instrumentación a utilizar en las
Presas de Tierra del proyecto Pacalori”, Ecuador (2014).
Alva Hurtado, Jorge E y Escalaya Advíncula, Miriam,
“Instrumentación Geotécnica de la Presa Pillones”,
Lima. (2011)
Mónica Paola Saldarriaga E. Instrumentación de Presas
<http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/medido
res/instrumentacionpresas/instrumpresas.html>
Pierre Choquet, P.Eng., Dr.-Eng. Flavio Guimaraes,
M.Eng. (EIT). Iván Barua, C.Tech. “Taller Técnico de
Instrumentación Geotécnica”.(2013) RST Instruments
Ltd., Maple Ridge, BC, Canadá
(www.rstinstruments.com).
RST Instruments Ltd. (www.rstinstruments.com).
Geokon (www.geokon.com).