Pruebas in situ para determinar el estado de esfuerzos y los módulos de deformación en un macizo rocoso sobre el que se alojara la construcción de

un proyecto hidroeléctrico.On-site tests to determine states of stresses and modulus of deformability in rock mass on the

left bank of the hydroelectric project Las Cruces, Nayarit, México.

Ulises TALONIA VARGAS1, Efraín GALLEGOS MORENO1

1Departamento de Mecánica de Rocas e Inyecciones, GEIC, CFE.

RESUMEN: Se presenta en el artículo el análisis de los resultados de ensayes de roseta de deformación, gato plano, placa flexible y petite sismique, efectuados dentro de socavones exploratorios ubicados en la margen izquierda del sitio propuesto para la construcción de una presa de concreto compactado con rodillo.El artículo describe el proceso seguido para la ejecución de las pruebas, así como los resultados de cada uno de los ensayes. Los resultados de los ensayes de roseta de deformación, en conjunto con las mediciones de gato Plano, llevados a cabo en dos direcciones diferentes, permiten conocer la dirección y la magnitud de los esfuerzos principales que actúan en el macizo rocoso.Los ensayes de placa flexible y los ensayes de petite sismique llevados a cabo en el sitio, permitieron determinar el módulo de deformabilidad del macizo rocoso, y extrapolarlo a una mayor área. Estos valores fueron comparados con los determinados en el laboratorio (realizados en roca intacta) para compararlos con la práctica ingenieril y verificar correlaciones publicadas en la literatura internacional.En ambos casos, el análisis se complementará con la aplicación de clasificaciones geomecánicas que permiten una extrapolación de los valores medidos al resto del macizo rocoso. Estos valores servirán para el diseño de las obras civiles del proyecto hidroeléctrico.

ABSTRACT: Is presented in the article the analysis of the results of assay of rosette deformation, flat jack, flexible plate and petite sismique, carried out within exploratory tunnels located in the left margin of the site proposed for the construction of a concrete dam compacted with roller.The article describes the process followed for the execution of the tests, as well as the results of each of the assay. The results of the assay of the rosette deformation, in conjunction with measurements of Jack plane, carried out in two different directions, allow to know the direction and the magnitude of the principal stress that act in the rock mass.The flexible plate assay and the petite sismique assay carried out in the site, allowed determining the module of deformation of rock mass, and extrapolated it to a greater area. These values were compared with those determined in the laboratory (made in intact rock) to compare them with the engineering practice and verify correlations published in the international literature.In both cases, the analysis will be complemented with the application of geomechanical classifications that allow an extrapolation of the measured values to the rest of the rock mass. These values will be used for the design of the civil works of the hydroelectric project.

1 INTRODUCCIÓN

Para analizar y diseñar las obras civiles que formaran parte de una presa de almacenamiento y generación de energía eléctrica, es necesario determinar los módulos de deformabilidad del macizo rocoso que la alojará así como el estado de esfuerzos preexistentes en la masa rocosa. Con base en distintas experiencias llevadas en campo se ha observado que los planos de discontinuidad del sitio muestran que los esfuerzos horizontales son a

menudo diferentes a los correspondientes al peso de la masa.

Un aspecto importante en el diseño de obras sub-terráneas tales como túneles o cavernas, es la deter-minación del estado de esfuerzos actuantes en el si-tio, previo a la excavación, y una segunda etapa im-portante es la determinación del estado de esfuerzos inducidos por la excavación. En esta perspectiva, se requiere conocer la respuesta del macizo rocoso a los cambios de esfuerzos generados.

Con base en lo antes expuesto, es posible deter-minar la orientación y geometría de las excavaciones más adecuadas, buscando en lo posible que la di-

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2 Título del trabajo

rección de la abertura más desfavorable se dé en el sentido del esfuerzo principal menor y, la más resis-tente en la dirección del esfuerzo principal mayor ac-tuante.

2 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

El Proyecto Hidroeléctrico se ubica en la porción central del estado de Nayarit, aproximadamente a 65 km en línea recta al N-NW de la ciudad de Tepic y a 30 km en línea recta al NW de la Presa Aguamilpa -Solidaridad.

Figura 1. Arreglo de obras del Proyecto hidroeléctrico.

El arreglo de obras del proyecto que se muestra en la figura 1, contempla una cortina de gravedad de Concreto Compactado con Rodillo (CCR), con coro-na en la cota +245 msnm, una altura del orden de 185 m (a partir del nivel de desplante +60 msnm), una longitud de corona de 894,51 m y un ancho de corona de 8 m. Las obras de desvío consisten en dos ataguías de materiales graduados con núcleo de arcilla, así como de dos túneles de sección portal, ubicados en la margen izquierda del sitio, la casa de máquinas se encuentra al pie de la cortina y en la margen izquierda queda ubicada la obra de exce-dencias.

3 GEOLOGÍA DEL SITIO

Para conocer las condiciones geológicas existentes en el sitio, se llevó a cabo una campaña extensa de exploración tanto directa como indirecta, que identificó la secuencia litológica presente en el sitio.En la zona del proyecto están expuestos dos potentes paquetes de rocas piroclásticas, basculadas hacía aguas arriba del eje de la cortina; la unidad litológica Las Cruces y la unidad Corapan. La zona geológica donde se excavaran las estructuras civiles, pertenecen al miembro superior de la unidad las Cruces (Tm-ic2), compuesto por

ignimbritas de composición riolítica, de estructura masiva y textura piroclástica.La unidad Corapan (Tm-ci1), está conformada por rocas ignimbritas de color gris claro en su parte superior y vítrea rojiza en la inferior, textura piroclástica, fuertemente soldada, estructura compacta, dura, se caracteriza por tener pómez alargadas. Dentro de esta unidad se encuentra la subunidad (Tm-ct1) la cual está conformada por tobas de tono rojo a ocre con pigmentos blancos (posibles plagioclasas) y textura piroclástica.

La unidad las Cruces, tiene un espesor definido hasta aproximadamente 100 m por debajo del nivel del cauce, siendo cubierta en ambas márgenes, en las partes más altas por la unidad Corapan, la cual alcanza un espesor en margen izquierda y derecha 45 y 72 m respectivamente.Para conocer la calidad de la roca en el interior del macizo rocoso, se llevó a cabo la excavación de dos socavones exploratorios ubicados sobre la margen izquierda del rio, aproximadamente a la elevación 103.Estas unidades se encuentran afectadas por fallas y fracturas, en algunas de ellas se generaron las condiciones propicias para el emplazamiento de diques de composición diabásica o pórfido andesítico. Las unidades anteriores están cubiertas parcialmente por depósitos no consolidados en forma de suelo residual (Qsr), depósitos de talud (Qdt) y aluvión (Qal).En la figura 2, se muestra la sección del eje de la boquilla, en la que aparecen las unidades antes descritas.

Figura 2. Sección geológica por el eje de la cortina.

3.1 Geología estructuralEl sitio estudiado para el proyecto hidroeléctrico, se encuentra regido estructuralmente por un sistema de fallamiento regional con orientación NW-SE, el cual presenta una inclinación hacia el SW mayor a los 60°, adicionalmente, se registra en la zona una pseudoestratificación de rumbo NWSE con buzamiento hacia el NE en no más de 22°.Las principales estructuras geológicas que afectan a las unidades de roca expuestas en la margen izquierda, son fallas y fracturas producto de la tectónica regional del sitio que dieron origen a una serie de bloques escalonados; así mismo, se tiene discontinuidades asociadas a planos de estratificación y contactos geológicos.

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(sólo poner primer autor, ver ejemplo) APELLIDO Inicial del nombre et al. 3

Las estructuras geológicas más representativas en el sitio son las fallas, PHC1, Las Cruces, Escarpe y Zacatal, estas se distinguen por su extensión y por afectar la zona de la cortina; cabe señalar que en estas estructuras existe un marcado patrón estructural de orientación NW-SE, ver figura 3.

Figura 3. Estructuras geológicas principales.

3.1 Geometría del socavón de exploración.La ubicación de la zona de estudio donde se llevaron a cabo las pruebas in situ, se encuentra alojada en el socavón de exploración localizado en la margen izquierda, su ubicación va orientada con respecto al eje de la cortina y se encuentra a una elevación promedio de 103 msnm.

El acceso principal cuenta con una longitud de 95m; llegando a esta distancia, se encuentra con un crucero el cual se divide en dos ramales, un izquierdo y un derecho, el ramal izquierdo cuenta con una longitud de 40m, mientras que en el ramal derecho la longitud es de 190m, siendo este, el ramal más grande del socavón.

Por otro lado se encuentran tres nichos de exploración que van ligados al acceso principal y a los ramales, el primer nicho se encuentra en la tabla derecha del acceso principal, este se encuentra ubicado en el Cad. 0+055; así mismo, el nicho 2 se encuentra posicionado en la tabla izquierda del ramal izquierdo en el Cad. 0+015 y finalmente en el ramal derecho se encuentra el nicho tres ubicado en el Cad. 0+185 en la tabla derecha, cabe señalar que cada nicho cuenta con aproximadamente 15m de profundidad.

4 PROPIEDADES DE LA ROCA INTACTA

Con el objetivo de identificar las propiedades del ma-cizo rocoso, se seleccionaron muestras de roca in-tacta recuperadas de barrenos de exploración. Par-tiendo de los ensayes analizados en el laboratorio,

se definieron las propiedades índice y los paráme-tros de resistencia de la roca intacta de acuerdo con los criterios de Deere y Miller, los resultados de los ensayes realizados se presentan en las tablas 1, 2 y 3.

Figura 4. Geometría del socavón de exploración.

Tabla 1.Valores promedio de ensayes de laboratorio de la Unidad Corapan (Tm-ci1).

Ensaye PromedioCompresión simple (MPa) 41,9Tensión indirecta (MPa) 3,2Módulo tangente Et50 (MPa) 12622Peso volumétrico saturado (kN/m3) 21,5Peso volumétrico ambiente (kN/m3) 20,0Contenido de agua (%) 10,0

Tabla 2.Valores promedio de ensayes de laboratorio de la Unidad Corapan (Tm-ct1).

Ensaye PromedioCompresión simple (MPa) 45,3Resistencia a tensión (MPa) 4,8Módulo tangente Et50 (MPa) 19622Peso volumétrico saturado (kN/m3) 22,9Peso volumétrico ambiente (kN/m3) 22,6Contenido de agua (%) 4,6

Tabla 3.Valores promedio de ensayes de laboratorio de Unidad Las Cruces (Tm-ic2).

Ensaye PromedioCompresión simple (MPa) 44Resistencia a tensión (MPa) 4,8Módulo tangente Et50 (MPa) 19229Peso volumétrico saturado (kN/m3) 22,9Peso volumétrico ambiente (kN/m3) 21,7Contenido de agua (%) 6,9

5 PROPIEDADES DEL MACIZO ROCOSO

Con la finalidad de definir las condiciones prevale-cientes con el cual se caracteriza el comportamiento geomecánico que definen la calidad del macizo roco-

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4 Título del trabajo

so de la unidad las cruces (Tm-ic2), se llevó a cabo una campaña de ensayes in situ para determinar el estado de esfuerzos y el módulo de deformabilidad dentro del macizo rocoso del socavón de explora-ción.

5.1 Ensayes in situLos trabajos ejecutados in situ fueron los ensayes de Roseta de deformación, Gato plano, Placa Flexible y Petite Sismique, en función de estos ensayes se definió el módulo de deformabilidad y el estado de esfuerzos al que está sometido el macizo rocoso, a continuación se explica el proceso seguido para la ejecución de las pruebas.

5.1.1Ensaye de Roseta de Deformación

El ensaye de Roseta de deformación tiene por objeto determinar la dirección de las deformaciones principales mayor y menor (Ɛ1 y Ɛ3) y a partir de ella conocer la orientación de las direcciones de los esfuerzos principales (σ1 y σ3) preexistentes en el macizo rocoso.Los ensayes de Roseta de deformación se llevaron a cabo sobre las paredes del socavón, en sitios representativos y para ello se preparó una superficie plana y lisa, evitando cualquier tipo de discontinuidad. En la figura 5, se muestra la ubicación de los sitios de prueba

Figura 5. Localización de pruebas de Roseta de deformación.

La finalidad de este ensaye es originar una relaja-ción de esfuerzos en el macizo rocoso, por lo que la prueba consiste en colocar alrededor de un punto pi-jas de medición según direcciones radiales a 45°; posteriormente se realiza una ranura concéntrica la cual provocara una liberación de esfuerzos en el sitio ensayado.

El registro de las deformaciones longitudinales se determina mediante la diferencia de distancias de las pijas antes y después de ranurar, para tal medición se utilizan indicadores de carátula (micrómetro) de

0,001 mm de precisión y un escantillón que sirve como guía y ajuste de las pijas.

Figura 6. Líneas de relajación de esfuerzos (cortesía CFE)

En la tabla 4, se presenta el resumen de los ensayes de roseta efectuados en el socavón exploratorio.

Tabla 4. Localización de pruebas de Roseta

Prueba de roseta Ubicación de tabla LocalizaciónI Izquierda Nicho 1, cad. 0+009Il Izquierda Nicho 2, cad. 0+008Ill Izquierda Nicho 3, cad. 0+008

5.1.2Ensaye de Gato Plano

El objetivo de la prueba de Gato plano es determinar la magnitud de los esfuerzos principales (σ1 y σ3) y los módulos de deformabilidad en el macizo rocoso. Cabe señalar, que los esfuerzos medidos corresponden al estado actual de esfuerzos modificados por la excavación.

La ejecución de la prueba de gato plano se realiza sobre las paredes del socavón, en una superficie limpia y uniformizada en la cual se retira localmente la roca descomprimida. El ensaye se realiza efectuando para ello una liberación de esfuerzos que originan una serie de deformaciones longitudinales.

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Figura 7. Localización de pruebas de Gato Plano.

Tabla 5. Localización de pruebas de gato plano dentro del socavón de exploración, todas en tabla izquierda.

Prueba de Gato Plano

Localización

I Nicho 1, cad. 0+007Il Nicho 1, cad. 0+011Ill Nicho 2, cad. 0+006IV Nicho 2, cad. 0+010V Nicho 3, cad. 0+006VI Nicho 3, cad. 0+010

Tomando como referencia las direcciones principales arrojadas por las pruebas de Roseta de deformación, se posiciona la ranura donde entrara la celda de gato plano en dirección perpendicular a la dirección del esfuerzo principal mayor y otro a 90° que corresponde al esfuerzo principal menor; así mismo, la ubicación de los ensayes son localizados cerca del área en donde se ejecutaron las pruebas de roseta de deformación.

Siguiendo la dirección del esfuerzo principal, se colocan ocho pijas de medición distribuidas simétricamente al eje del Gato plano. Las lecturas iniciales son tomadas una vez terminada la coloca-ción de las pijas; cabe señalar, que la lectura re-gistrada aun no es afectada por ningún efecto de li-beración de esfuerzos. Posteriormente, se realiza la perforación de la ranura de aproximadamente 42 x 42 cm en la tabla del socavón. Después de haber terminado la ranuración se lleva el registro de las deformaciones finales inducidas por la liberación de esfuerzos.

Una vez llevado el registro de las deformaciones finales y verificar que los datos son repetitivos, se introduce en la ranura la celda de gato plano de sección cuadrada ahogada en mortero; cabe seña-lar, que la resistencia del mortero deberá ser igual a la de la roca, esto garantizara una buena distribu-

ción de cargas al momento que se aplique presión a la celda de Gato Plano.

Figura 8. Registro de deformaciones finales con escantillón, (cortesía de CFE).

Figura 9. Celda de Gato Plano ahogada en ranura, (cortesía de CFE).

Finalmente con ayuda de equipo hidráulico se apli-ca presión a la celda de carga hasta que las defor-maciones registradas se recuperen, a dicha pre-sión se le llama presión de cancelación la cual es igual al esfuerzo normal actuante sobre el plano de la ranura.

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6 Título del trabajo

5.1.3Ensaye de Placa Flexible

La prueba de placa flexible determina el módulo de deformabilidad estático del macizo rocoso aplicando un cierto nivel de esfuerzos, la ejecución de esta prueba consiste en aplicar presiones en ciclos de carga y descarga.

Figura 9. Localización de pruebas de Placa Flexible a lo largo del socavón de exploración.

Tabla 6. Localización de prueba de Placa Flexible dentro del socavón de exploración.

Para definir el módulo de deformabilidad del sitio, se aplica carga en direcciones preferenciales, ya sea de forma horizontal o vertical con la ayuda de una bomba y gatos hidráulicos, placas de acero, celdas de carga, indicadores de caratula (micrómetros), barras de medición, coples y niples.

Los sitios de prueba se trabajan eliminando la roca suelta y nivelando las irregularidades con mortero para dejar una superficie plana y lisa. Los puntos de medición de deformación se colocan a una profundidad de 0,30m, 0,60m y 0,90m dentro de la roca para eliminar el efecto de descompresión superficial de la misma.

Utilizando los dispositivos hidráulicos, se aplica presión hacia las celdas de carga, las cuales trabajan en conjunto con los gatos hidráulicos, coples, niples y las placas de acero. Esta presión se ve concentrada en ambas áreas de las placas localizadas en los extremos de la prueba dando origen a un esfuerzo a la tensión. Derivado de estos esfuerzos inducidos, las barras de medición tienden a presentar desplazamientos los cuales se registran en los indicadores de carátula que han sido colocados para el registro de tales eventos.

Figura 10. Habilitado de Prueba de Placa Flexible Horizontal en nicho 3. Se observan tres celdas de carga recargadas sobre placa de acero, así como las barras de medición (cortesía de CFE).

Figura 11. Prueba de Placa Flexible vertical (cortesía de CFE).

5.1.4Ensaye de Petite Sismique

Como parte de los trabajos de exploración indirecta, se realizó un tendido de geofísica sobre las tablas de la excavación, mediante el cual se determinó el módulo de Young (E ) obtenido a partir

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Prueba de Placa Flexible

Sentido Localización

I Vertical Nicho 1, cad. 0+008Il Horizontal Nicho 3, cad. 0+005Ill Vertical Nicho 3, cad. 0+010

(sólo poner primer autor, ver ejemplo) APELLIDO Inicial del nombre et al. 7

de las pruebas de “petite sismique” efectuados en las paredes del socavón. Por cada tramo de prueba se indican 2 valores de velocidad de onda y módulo de Young, los más bajos corresponden a roca que es la capa descomprimida o la parte superficial de la pared que presenta descompresión derivado del procedimiento de excavación y los valores más altos son los que se podrían considerar representativos del macizo rocoso no perturbado.

5.2 Resultados de los ensayes in situLa ejecución de la prueba de Roseta de deformación, denota que la dirección del esfuerzo principal mayor se encuentra entre los -15 y + 17° de inclinación con respecto a la vertical y la relación de esfuerzos principales medida es de 0,55. Esto indica que el macizo rocoso en la zona de prueba se encuentra regido por un estado de esfuerzos litostáticos y que los esfuerzos horizontales son del orden del 0,6 de los verticales.

Los módulos de deformabilidad obtenidos a partir de la prueba de Gato Plano, Placa Flexible y Petite sismique se muestran en la tabla 7.

Tabla 7.Resultados de ensayes de deformabilidad in situ para la Unidad Las Cruces (Tm-ic2).

Ensaye Resultado

Placa flexible vertical 21, 9 GPa

Placa flexible horizontal 22,6 GPaGeofísica (Petite) sana 19,7 GPaGeofísica (petite) alterada 5, 9 GpaGato plano 6,6 GPa

Con base en los sondeos de barrenación de exploración realizados en la margen, se determina que el índice de calidad de la roca (RQD) para la unidad las Cruces, presenta un valor promedio de 89%, con una recuperación promedio de 98%, con lo cual el macizo rocoso es de buena calidad.

5.3 Clasificación geomecánica de la unidad Tm-ic2

La clasificación geomecánica del macizo rocoso de la Unidad Las Cruces (Tm-ic2), arrojo como resultado un Macizo de clase II con un valor de (RMR=73), con lo que se trata de un macizo rocoso de buena calidad y es congruente con los resultados del índice de calidad de la roca.

6 CONCLUSIONES

La determinación de la dirección de los esfuerzos principales medidos a partir de los ensayes de roseta y gato plano, es una metodología que requiere de un gran cuidado durante su ejecución y

debe complementarse con ensayes adicionales y un buen juicio ingenieril.

Para la unidad las Cruces, la relación de módulos Em/Et50 es muy cercana a la unidad, asociado a valores de calidad altos (RQD = 89%) con lo cual el macizo rocoso tiene un comportamiento es denso y el módulo de campo es muy parecido al de la roca intacta.

La aplicación de la técnica del petite sismique, permite extrapolar los valores de módulo estático al resto del macizo rocoso, además de que los resultados indican que el macizo rocoso es muy homogéneo en el tramo ensayado.

La dirección de los esfuerzos principales mayores, corresponde aproximadamente con la vertical, en una variación de +- 15% respecto a ella. Los esfuerzos horizontales, denotan que en la zona no existen esfuerzos remanentes, sino que actúan sólo los litostáticos. El esfuerzo principal menor es del orden de 0.6 del vertical.

La determinación de los parámetros requeridos para diseño, es siempre un aspecto que debe verificarse con ensayes in situ, sobre todo para obras de gran envergadura, en el que se justifica la aplicación de este tipo de ensayes.

Referencias.1. Informe geotécnico de los estudios de

campo y laboratorio para el P.H. Las cruces, Nayarit. Informe N° 13-038-SGM/R

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