CONSTRUCCIÓN PRESA "CAIGUAMI-CHIMEO"
EFECTOS EN LA PRESA DEL EVENTO
EXTRAORDINARIO
(ENERO-FEBRERO 2018)
REDACTADO PARA: ASOCIACION ACCIDENTAL SAN ALBERTO
POR: Dr.-Ing. Gabriel Rodríguez Roca
RNI 1832
Cochabamba, Villa Montes, mayo 2018
PRESA CAIGUAMI-CHIMEO
EFECTOS EN LA PRESA DEL EVENTO EXTRAORDINARIO
(ENERO-FEBRERO 2018)
Tabla de Contenido
1
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 1
1.1
Generalidades .....................................................................................................................1
1.2
Criterios de diseño de una presa de material suelto ...............................................................4
1.2.1
Criterios de los profesionales diseñistas de la presa ...........................................................4
1.2.2
Comentarios al diseño ......................................................................................................5
1.3
Fundación del núcleo ...........................................................................................................6
1.4
Excavación para el dentellón ................................................................................................7
1.5
Pantalla de Inyecciones de impermeabilización......................................................................8
2
DESCRIPCIÓN CRONOLÓGICA DE LA FALLA ......................................................... 9
3
SUELOS USADOS EN LA PRESA ........................................................................... 17
3.1
Perforaciones y toma de muestras ...................................................................................... 17
3.1.1
Perforación P-1 .............................................................................................................. 18
3.1.2
Perforación E-1 .............................................................................................................. 19
3.1.3
Perforación PI-1 ............................................................................................................. 20
3.1.4
Perforación PI-2 ............................................................................................................. 21
3.2
Resultados de ensayos en laboratorio. ................................................................................ 22
3.2.1
Granulometría y límites de consistencia del suelo del núcleo ............................................ 22
3.2.2
Granulometría y límites de consistencia del suelo de los espaldones ................................. 25
3.2.3
Límites de consistencia................................................................................................... 26
3.2.4
Potencial de expansión ................................................................................................... 27
3.3
Permeabilidad.................................................................................................................... 28
3.3.1
Ensayos en muestras de arcilla ....................................................................................... 28
3.4
Peso unitario y humedad .................................................................................................... 29
3.5
Dispersividad ..................................................................................................................... 29
3.6
Parámetros de resistencia .................................................................................................. 31
3.7
Consolidación de las arcilla ................................................................................................ 32
3.8
Composición mineralógica de la arcilla ................................................................................ 33
Introducción
1
4
5
6
3.9
Propiedades de la roca intacta del estribo izquierdo ............................................................. 34
3.9.1
Petrografía ..................................................................................................................... 34
3.9.2
Parámetros de la roca .................................................................................................... 35
ANÁLISIS DE LA EROSIÓN INTERNA EN LA PRESA CAIGUAMI-CHIMEO ........... 36
4.1
Generalidades ................................................................................................................... 36
4.2
Análisis ............................................................................................................................. 38
HABILITACIÓN DE LA PRESA ................................................................................ 40
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.............................................................. 41
6.1
Conclusiones ..................................................................................................................... 41
6.2
Recomendaciones ............................................................................................................. 42
Figuras
Figura Nº 1 Ubicación de la presa Caiguami-Chimeo ............................................................................................................................ 1
Figura Nº 2 Sección típica de la presa Caiguami-Chimeo según documento contractual ...................................................................... 2
Figura Nº 3 Planta de la presa Caiguami-Chimeo según documento contractua ................................................................................... 2
Figura Nº 4 Perfil longitudinal desarrollado de la presa Caiguami-Chimeo ............................................................................................. 3
Figura Nº 5 Esquema de ubicación de los elementos drenantes en una presa homogénea.................................................................. 6
Figura Nº 6 Formacion de fisuras verticales y horizontales ..................................................................................................................... 7
Figura Nº 7 Excavación para el dentellón (as built) ................................................................................................................................. 7
Figura Nº 8 Excavación para el dentellón ................................................................................................................................................ 8
Figura Nº 9 Pantalla de impermeabilización por inyecciones. Planta...................................................................................................... 8
Figura Nº 10 Pantalla de impermeabilización por inyecciones. Corte vertical ........................................................................................ 9
Figura Nº 11 lunes 29 de enero de 2018. Llenado parcial del embalse hasta la cota de la toma. ....................................................... 10
Figura Nº 12 lunes 29 de enero de 2018 a) Inicio de la evacuación de agua por el aliviadero b) Paramento aguas abajo de la presa.
................................................................................................................................................................................................................ 10
Figura Nº 13 martes 30 de enero, horas 13:29. Evacuación de la crecida por el aliviadero y a través del desagüe de fondo. En el
estribo izquierdo ya se puede apreciar una filtración a la cota .............................................................................................................. 11
Figura Nº 14
martes 30 de enero, hora: 14:20. Ya se puede observar en la superficie del paramento la erosión del material de
relleno del espaldón, formándose dos escarpes. .................................................................................................................................. 12
Figura Nº 15 31 de enero de 2018, 07:29. Formación de la chimenea y salida de las aguas a media altura de la presa ................ 12
Figura Nº 16 31 de Enero 2018, hora 09:00. Incremento del caudal infiltrado.................................................................................... 12
Figura Nº 17 31 de enero 2018, hora13:48. Vista de la chimenea formada en el paramento aguas abajo. ........................................ 13
Figura Nº 18 01 de Febrero 2018, hora 07:29. Formación de la brecha. Obsérvese la pared vertical en el espaldón aguas abajo. 13
Figura Nº 19 01 de Febrero 2018 hora 07:35. Cavidad en el núcleo. El material rellenado del núcleo muestra una resistencia alta a
la fuerza tractiva del agua. Obsérvese el plano de contacto núcleo-roca totalmente libre .................................................................. 14
Figura Nº 20
01 de Febrero 2018. hora 08:06. Avance de la erosión regresiva. Hundimiento del paramento aguas arriba. El
coronamiento no ha colapsado .............................................................................................................................................................. 14
Figura Nº 21 01 de Febrero 2018. hora 08:33. Caída del “puente” en el coronamiento. ................................................................... 15
Figura Nº 22 01 de Febrero 2018. hora 12:33. Desmoronamiento en seco de la parte del lado derecho del núcleo. ....................... 15
Figura Nº 23 01 de Febrero 2018 hora 17:57. Estado final de la brecha y la presa ........................................................................... 16
Introducción
2
Figura Nº 24 01 de febrero 2018 hora 17:57. Estado final del paramento aguas arriba. .................................................................... 16
Figura Nº 25 Registro de la perforación P-1. Ejemplo .......................................................................................................................... 18
Figura Nº 26 Curvas granulometrías arcillas del núcleo. Muestras de la Perforación P-1 .................................................................. 24
Figura Nº 27 Curvas granulometrías de arcillas en los espaldones. Perforación E-1 ......................................................................... 26
Figura Nº 28 Cartilla plástica de Casa Grande, núcleo y espaldones ................................................................................................... 27
Figura Nº 29 Cartilla plástica de Casa Grande ...................................................................................................................................... 27
Figura Nº 30 Potencial de expansión ..................................................................................................................................................... 28
Figura Nº 31 Ensayo de Dispersividad. Método del terrón. Muestra MS-1-1 ....................................................................................... 31
Figura Nº 32 Curva de consolidacion . Muestra MS-01-08................................................................................................................... 33
Figura Nº 33 Difractograma. Mineralogia de la arcilla del nucleo (UMSS). .......................................................................................... 34
Figura Nº 34 Relacion Indice de Plasticidad vs Angulo de friccion interna .......................................................................................... 34
Figura Nº 35 Caso I. Desarrollo de la erosion iniciada en el nucleo con regresion hacia aguas arriba.............................................. 36
Figura Nº 36 Caso II. Desarrollo de la erosion iniciada en la fundacion al pie de la presa ................................................................. 37
Figura Nº 37 Caso III. Desarrollo de la erosion iniciada en el plano de contacto nucleo-fundacion. .................................................. 37
Figura Nº 38 Posibles lugares de iniciacion de erosion interna............................................................................................................. 38
Figura Nº 39 Pared vertical rocosa e irregularidades (protuberancias y depresiones) en la superficie de contacto “fundacion-nucleo
de arcilla” en el eje de la presa .............................................................................................................................................................. 39
Figura Nº 40 Excavaciones propuestas en el estribo izquierdo. Corte vertical ..................................................................................... 40
Figura Nº 41 Excavaciones propuestas en el estribo izquierdo. Planta ............................................................................................... 41
Tablas
Tabla 1 Perforaciones ejecutadas .......................................................................................................................................................... 17
Tabla 2 Muestras tomadas en la perforación P-1 .................................................................................................................................. 19
Tabla 3 Muestras tomadas en la perforación E-1 .................................................................................................................................. 20
Tabla 4 Muestras tomadas en la perforación PI-2 ................................................................................................................................. 22
Tabla 5 Distribución granulometría y límites de consistencia del núcleo (perforación P-1) .................................................................. 22
Tabla 6 Distribución granulometría y límites de consistencia del núcleo (perforación PI-2) ................................................................. 24
Tabla 7 Distribución granulometría y límites de consistencia de los espaldones (perforación E-1) ..................................................... 25
Tabla 8 Distribución granulometría y límites de consistencia de los espaldones (perforación E-1) ..................................................... 28
Tabla 9 Peso unitario natural, seco y humedad ..................................................................................................................................... 29
Tabla 10 Protocolo del ensayo “pin-hole” ............................................................................................................................................. 30
Tabla 11 Parámetros de resistencia ..................................................................................................................................................... 31
Tabla 12 Resultados ensayos de consolidación ................................................................................................................................... 32
Tabla 13 Composición mineralógica de la roca .................................................................................................................................... 35
Tabla 14 Parámetros geomecánicos de la roca ................................................................................................................................... 35
Introducción
3
EFECTOS EN LA PRESA DEL EVENTO EXTRAORDINARIO
(ENERO-FEBRERO 2018)
1 Introducción
1.1
Generalidades
La presa Caiguami-Chimeo es el componente principal del aprovechamiento múltiple de los
recursos hídricos del valle de rio Caiguami, y está localizada a una distancia aproximada de 7,0
km al norte de la ciudad de Villa Montes. Las aguas reguladas por la presa serán utilizadas para
dotar agua potable a la comunidad de Chimeo y a la ciudad de Villa Montes y regar las tierras de
la comunidad de Chimeo.
Figura Nº 1 Ubicación de la presa Caiguami-Chimeo
Como estructura principal ha sido elegida una presa de material suelto (Figura Nº 2) con un eje
compuesto: el alineamiento de la presa en el estribo derecho es rectilíneo para pasar a un
segmento de arco (radio de curvatura 80 metros) en el centro y concluir en el estribo izquierdo
nuevamente rectilíneo. En el estribo izquierdo la presa se apoya sobre una nariz donde aflora el
macizo rocoso. La presa está compuesta por un núcleo de arcillas y espaldones de material
arcillo limoso, una capa de filtro inmediatamente aguas abajo del núcleo, el cual continúa
horizontalmente hasta el pie de paramento aguas abajo. En los dos planos de contracto de la
capa de filtros se ha dispuesto de un geotextil (400gr/m2).
Los dos espaldones llevan un
Introducción
1
enrocado de protección apoyado en una capa de transición, también provista del manto de
geotextil.
Figura Nº 2 Sección típica de la presa Caiguami-Chimeo según documento contractual
La elección de la presa ha sido realizada considerándose las condiciones geológicas y
geotécnicas desfavorables, y por la presencia en las cercanías de material natural adecuado.
Además, se hace mención de la presa Caigua en la misma serranía del Aguarangue a unos 10
kilometros de distancia, y el buen comportamiento desde la puesta en operación hasta la fecha.
Figura Nº 3 Planta de la presa Caiguami-Chimeo según documento contractua
Introducción
2
Para la fundación ha sido necesario una excavación de hasta 12 metros para apoyar el núcleo
en un macizo rocoso fracturado. El estribo izquierdo de la presa está formado por rocas
cretácicas y terciarias con pendientes elevadas cerca a la verticalidad, mientras que el estribo
derecho muestra depósitos cuaternarios sobreyaciendo a las rocas cretácicas con una pendiente
más suave. El perfil longitudinal desarrollado de la presa (Figura Nº 4) muestra un estribo
izquierdo subvertical, especialmente, aguas arriba del eje de la presa.
El aliviadero ha sido ubicado en el estribo derecho, tal como se muestra en la Figura Nº 3.
Figura Nº 4 Perfil longitudinal desarrollado de la presa Caiguami-Chimeo
Los estudios para la presa fueron elaborados durante los años 2012 -2014 por el Gobierno
Autónomo Regional del Chaco Tarijeño – Villa Montes. Las actividades para la construcción de
la presa se iniciaron el noviembre de 2016, habiéndose concluido con el colocado y compactado
el relleno hasta el coronamiento a fines del año 2017. El cierre de válvulas para iniciar el llenado
del embalse ha tenido lugar en el mes de enero de 2018.
Los datos principales de la presa son presentados a continuación:
Altura de la presa: 34 metros
Longitud de coronamiento: 130 metros
Ancho del coronamiento: 6 metros
Pendiente paramento aguas arriba 3(H): 1(V)
Pendiente paramento aguas abajo 2,5 (H): 1(V)
Capacidad de Embalse: 2.06 hm3.
Volumen total de rellenos: 200.967,45 m3
Introducción
3
Volumen núcleo de arcilla: 41.422,12 m3
Volumen de espaldones (limo arcilloso): 129.252,48 m3
Volumen material de transición: 18.769,26 m3
Volumen de material para drenes: 6.962,33 m3
1.2
Criterios de diseño de una presa de material suelto
En este subcapítulo son presentadas algunas consideraciones sobre los criterios de diseño de
la presa, seguido de comentarios a los mismos.
1.2.1
Criterios de los profesionales diseñistas de la presa
Por la importancia de la declaración presentada en el documento TESA, transcribimos a
continuación la “filosofía del diseño”:
“El núcleo impermeable de arcilla y los espaldones de material limo arcilloso de la presa
constituye el cuerpo principal del dique de material compuesto, y la presa tiene los taludes
necesarios para una adecuada estabilidad en base a los esfuerzos existentes, estos taludes son
3H: 1V en el de aguas arriba; 2.5H:1V, en el de aguas abajo.
Sea cual fuere la capacidad del núcleo y de los espaldones para cerrar sus fisuras, el medio más
eficaz para protegerlo es disponer en contacto con su paramento de aguas abajo uno o varios
filtros, cuidadosamente proyectados y ejecutados, que atrapen a las partículas fugitivas y sellen,
de aguas abajo hacia aguas arriba, la vía de escape. Esta es la filosofía adoptada en el proyecto
de la presa de Chimeo. Consecuentemente, se ha previsto la colocación de geotextil de 400
gr/m2 entre el material aluvial del lecho de la quebrada y el material arcilloso del núcleo de la
presa (ver plano sección tipo de la presa).
La explotación del embalse, con un llenado y vaciado lento anual, no debe generar gradientes
hidráulicos hacia el embalse que puedan impulsar la fuga de la arcilla hacia el espaldón de aguas
arriba con la misma intensidad que lo hace el embalse hacia el espaldón de agua abajo.
No obstante, queda claro que la aparición de fisuras transversales que llegasen a perforar el
cuerpo de la presa no pondrá en riesgo al mismo ni a su estabilidad, ni su capacidad
impermeabilizadora, siempre y cuando la ejecución en la colocación del geotextil sea cuidadosa
y se rija por las especificaciones dictadas en el Pliego de Prescripciones Técnicas”.
Introducción
4
1.2.2
Comentarios al diseño
Respecto a la declaración líneas arriba es necesario hacer algunas observaciones:
i.
Como material para la conformación de los espaldones se elige un suelo arcillo limoso,
es decir, un material con una permeabilidad alta, y según las Especificaciones Técnicas
del proyecto prácticamente con las mismas condiciones de distribución granulometría y
de plasticidad. Esto incidirá en los estados de esfuerzo internos sobre todo en el espaldón
aguas arriba para el caso de un desembalse rápido. La presión de poros no podrá
disiparse en la misma velocidad, por tanto, se tendrán esfuerzos efectivos bajos.
ii.
El tipo de estructura adoptado para a presa de Caiguami-Chimeo es calificada por el
Spancold como una presa cuasihomogenea, definida como presa “zonada”, es decir,
cuando los materiales para el centro y los espaldones son casi iguales, sobre todo en
referencia a la fracción de finos. Para este tipo de presas se coloca la parte de los suelos
más impermeables en la zona central e incluso en la zona aguas abajo y el material
permeable en el espaldón aguas arriba.
Consecuentemente, el material con mayor
permeabilidad y resistencia debe ser colocado en el espaldón aguas arriba.
iii.
En la etapa de diseño se consideró fundamental la buena y correcta colocación del
geotextil como medida eficiente para garantizar la estabilidad de la presa, ya que con esta
medida constructiva las fisuras transversales no podrían en riesgo esta estabilidad de la
presa.
iv.
No se hace ninguna mención sobre las condiciones a ser satisfechas en el plano de
contacto “núcleo-roca de fundación”. este punto es tratado líneas abajo en el subcapítulo
1.3
v.
A pesar que se reconoce la importancia de capas de filtros en los dos planos de contacto
núcleo-espaldones, no se consideró una capa de filtro en el contacto del núcleo con el
espaldón aguas arriba. Sin embargo, considerando que la presa es cuasihomogenea no
es necesario un filtro entre la zona central y el espaldón aguas arriba. Hubiera sido
suficiente colocar una chimenea compuesta por una capa de filtro y otra capa de dren, la
cual continúa horizontalmente hasta el dren de pie, tal como se muestra en la Figura Nº
5.
Introducción
5
Fuente: Spancold (2015) “Guía Técnica de Seguridad de Presas” P-2, Tomo 2 Presas de
materiales sueltos.
Figura Nº 5 Esquema de ubicación de los elementos drenantes en una presa homogénea
1.3
Fundación del núcleo
A continuación transcribimos en traducción libre la recomendación del ICOLD, contenida en el
Boletín 129 (2005) “Dam Foundation” (pg 187) sobre el tratamiento del plano de fundación de la
parte central de una presa de material suelto.
El tratamiento de este plano de fundación busca garantizar una unión estrecha entre el núcleo y
la fundación por una parte, y para evitar la erosión del material de relleno hacia la fundación.
Para lograr estos objetivos la superficie debe ser lo más uniforme posible. Todas las
protuberancias deben ser excavadas y las depresiones rellenadas con hormigón de tal manera
que el material sea compactado adecuadamente. Superficies de rocas en los estribos con
pendientes verticales o casi verticales deben ser necesariamente modificadas y excavadas hasta
obtener una pendiente de 1(H): 2(V) o menos si fuere posible. En esta superficie de contacto no
puede haber protuberancias, las cuales deben ser eliminadas por excavación o relleno de
hormigón. Las posibles fisuras verticales y horizontales se pueden formar por disecación o por
asentamientos diferencias debido a la forma de la sección del eje longitudinal de la presa. Un
estribo o plano de apoyo vertical o casi vertical y con irregularidades o protuberancias generan
con una alta probabilidad fisuras verticales y horizontales tal como se muestra en la Figura Nº 6.
Evidentemente, una superficie lisa con pendiente suave minimiza los asentamientos diferenciales
y la concentración de esfuerzos.
Introducción
6
Fuente: ICOLD (2013) “Internal Erosion, Processes and Engineering assessment” Bulletin 164.
Paris
Figura Nº 6 Formacion de fisuras verticales y horizontales
Las fisuras horizontales indicadas con el número 5 en la Figura Nº 6, Se forman debido al
deslizamiento del material de relleno del núcleo a lo largo de un estribo con una gran pendiente
y, además, con protuberancias.
1.4
Excavación para el dentellón
En la Figura Nº 7 se puede observar que la excavación alcanza solamente hasta el macizo rocoso
aflorante en el estribo izquierdo del sitio de implantación de la presa. Excepto una limpieza
superficial no se preparó el plano de contacto (Figura Nº 8).
Figura Nº 7 Excavación para el dentellón (as built)
Introducción
7
Figura Nº 8 Excavación para el dentellón
1.5
Pantalla de Inyecciones de impermeabilización
En función de los resultados de las perforaciones a diamantina ha sido diseñada la pantalla de
impermeabilización desplazada hacia aguas arriba desde el eje de la presa (Figura Nº 9). Las
perforadoras para la inyección de lechada han alcanzado hasta los 40 metros de profundidad
(Figura Nº 10).
Figura Nº 9 Pantalla de impermeabilización por inyecciones. Planta
Introducción
8
Figura Nº 10 Pantalla de impermeabilización por inyecciones. Corte vertical
2 Descripción cronológica de la falla
Gracias a la excelente información reunida por los técnicos (ingenieros Abner Fernández y
Reynaldo Mamani) de la Asociación de Empresas Constructoras a cargo de la ejecución de la
presa es posible hacer una reconstrucción de los eventos que han conducido finalmente a la
formación de una brecha en el estribo izquierdo.
Después de más de 2 años de sequía en todo el territorio boliviano, se ha tenido para el periodo
oct 2017- al presente un año hidrológico con precipitaciones muy superiores a las promedios
registradas por el Senahmi. A pesar de los pronósticos que indicaban que el embalse se llenaría
durante dos años, han sido registradas precipitaciones intensas desde la segunda quincena de
enero de 2018, las cuales han logrado llenar el embalse en un intervalo de tiempo
extremadamente corto.
Lunes 29 de enero de 2018
Como consecuencia de las precipitaciones, se ha registrado un llenado parcial del embalse hasta
la cota de la toma (547,61 m.snm). El comportamiento de la presa y las obras de evacuación
Descripción cronológica de la falla
9
durante este primer llenado han satisfactorios. No se detectaron fenómenos anómalos (Figura
Nº 12).
Figura Nº 11 lunes 29 de enero de 2018. Llenado parcial del embalse hasta la cota de la
toma.
(a)
(b)
Figura Nº 12 lunes 29 de enero de 2018 a) Inicio de la evacuación de agua por el aliviadero b)
Paramento aguas abajo de la presa.
Descripción cronológica de la falla
10
Martes 30 de enero de 2018
El día martes 30 de enero por la mañana se observó un funcionamiento adecuado de la presa y
las obras de evacuación (aliviadero y desagüe de fondo. Sin embargo, a horas 13:29 se vio una
filtración en la parte inferior del paramento aguas abajo en el estribo izquierdo ( Figura Nº 13).
Después de 51 minutos se observa que el fenómeno de erosión interna continuaba ( Figura Nº
14) formándose dos inicios de escarpes.
Figura Nº 13 martes 30 de enero, horas 13:29. Evacuación de la crecida por el aliviadero y a
través del desagüe de fondo. En el estribo izquierdo ya se puede apreciar una filtración a la cota
Descripción cronológica de la falla
11
Figura Nº 14
martes 30 de enero, hora: 14:20. Ya se puede observar en la superficie del
paramento la erosión del material de relleno del espaldón, formándose dos escarpes.
Miércoles 31 de enero de 2018
Figura Nº 15 31 de enero de 2018, 07:29. Formación de la chimenea y salida de las aguas a
media altura de la presa
Figura Nº 16 31 de Enero 2018, hora 09:00. Incremento del caudal infiltrado
Descripción cronológica de la falla
12
Figura Nº 17 31 de enero 2018, hora13:48. Vista de la chimenea formada en el paramento
aguas abajo.
Jueves 1 de febrero de 2018
Figura Nº 18
01 de Febrero 2018, hora 07:29. Formación de la brecha. Obsérvese la pared
vertical en el espaldón aguas abajo.
Descripción cronológica de la falla
13
Figura Nº 19 01 de Febrero 2018 hora 07:35. Cavidad en el núcleo. El material rellenado del
núcleo muestra una resistencia alta a la fuerza tractiva del agua. Obsérvese el plano de
contacto núcleo-roca totalmente libre
Figura Nº 20 01 de Febrero 2018. hora 08:06. Avance de la erosión regresiva. Hundimiento
del paramento aguas arriba. El coronamiento no ha colapsado
Descripción cronológica de la falla
14
Figura Nº 21 01 de Febrero 2018. hora 08:33. Caída del “puente” en el coronamiento.
Figura Nº 22 01 de Febrero 2018. hora 12:33. Desmoronamiento en seco de la parte del lado
derecho del núcleo.
Descripción cronológica de la falla
15
Figura Nº 23 01 de Febrero 2018 hora 17:57. Estado final de la brecha y la presa
Figura Nº 24 01 de febrero 2018 hora 17:57. Estado final del paramento aguas arriba.
La descripción grafica presentada líneas arriba permite concluir razonablemente que ha tenido
lugar un fenómeno de erosión interna. En el capítulo 4 se presenta el análisis de la rotura de la
presa.
Descripción cronológica de la falla
16
3 Suelos usados en la presa
Con el propósito de verificar la idoneidad de los suelos utilizados en el relleno de la presa, y
además, conocer el resultado final del proceso de colocación y compactado del núcleo y los
espaldones, la Asociación accidental San Alberto ha contratado los servicios profesionales
especializados de la empresa Grupo Estabiliza Ingeniería S.R.L. para ejecutar una campaña de
investigación “in situ” y en laboratorio. El informe de la investigación geotécnica ha sido entregado
el 5 de mayo del año en curso y es presentado como Anexo 1.
3.1
Perforaciones y toma de muestras
Han sido realizados cuatro sondeos con una longitud total de 104,5 m. La ubicación y profundidad
de cada sondeo es mostrada en la Tabla 1. El equipo de perforación utilizado ha sido del tipo
“wire-line” provisto de una corona tipo 6 de Wolfran-Tunsgteno con concreción de diamantes
sintéticos.
Tabla 1 Perforaciones ejecutadas
Coordenadas
Perforación
Profundidad
Muestras
Ensayos de
permeabilidad
Este
Norte
Cota
(m)
inalteradas
P-1
450636.52
7656788.69
562,93
38.50
3
-
E-1
450637.42
7656812.65
545
31.00
2
-
PI-1
450673.11
7656814.68
549
11.50
-
1
PI-2
450670.00
7656816.00
549
23.50
-
1
5
2
Total
Estabiliza
104.50
Lugeon
Fuente: “Estudio Geotécnico Presa Caiguami-Chimeo”. Grupo Estabiliza, mayo 2018.
El diámetro seleccionado para las perforaciones corresponde al tipo HQ (diámetro aprox del
hueco 4 pulgadas y de los testigos 63,5 mm). El uso de un sistema de varillaje “doble camisa” ha
permitido lograr recuperaciones altas, llegándose en largos tramos hasta 100 %.
Suelos usados en la presa
17
3.1.1
Perforación P-1
3.1.1.1 Perfil litológico
La perforación P-1, ubicada en el coronamiento de la presa cerca del parapeto de hormigón, ha
permitido describir toma la columna de relleno (37,12 metros) del núcleo más 1,38 metros de la
fundación rocosa de la presa, El perfil estratigráfico del P-1 muestra los primeros 2,5 metros
arcillas de alta plasticidad con partículas de arena y grava con un color que varía de rojo oscuro
a rojo y consistencia muy rígida. Desde los 2,5 metros hasta los 37.12 metros se tiene en forma
constante arcillas de alta plasticidad color rojo oscuro y muy rígida. El contacto suelo-roca está
a la profundidad de 37,12 metros. Se ha observado arenisca de color rojo, sana, con un índice
de calidad de roca (RQD) igual a 66%, presente hasta el final de la perforación a los 38.50 metros
de profundidad.
Fuente: “Estudio Geotécnico Presa Caiguami-Chimeo”. Grupo Estabiliza, mayo 2018.
Figura Nº 25 Registro de la perforación P-1. Ejemplo
Suelos usados en la presa
18
3.1.1.2 Permeabilidad
En el tramo perforado en roca (5,5 a 11,5 m) ha sido realizado un ensayo de permeabilidad tipo
Lugeon (ver Anexo C en el Anexo 1). Se lograron realizar cuatro etapas hasta la presión efectiva
igual a 0,384 MPa. La permeabilidad seleccionada para este tramo es de 25 Lu (2,5 x 10 -6 m/s),
es decir 10 a 25 veces mayor que la necesaria para limitar las infiltraciones a niveles aceptables.
3.1.1.3 Toma de muestras
La recuperación de testigos ha sido constante, habiéndose tomado tres muestras inalteradas
cada 10 metros con el sistema del muestrador inalterado normalizado y otras 7 muestras
alteradas, habiéndose enviado al laboratorio un total de 10 muestras de más de 30 cm de
longitud.
En la Tabla 2 son mostradas las profundidades y tipo de muestra enviadas al laboratorio para la
realización de los diferentes ensayos programados.
Tabla 2 Muestras tomadas en la perforación P-1
3.1.2
Tipo de
Identificación
Profundidad (m)
MS-01-01
5,50-5,80
MS-01-02
10,00-10,50
Alterada
MS-01-03
11,00-11,50
Inalterada
MS-01-04
15,47-15,73
Alterada
MS-01-05
20,00-20,50
Inalterada
MS-01-06
24,60-25,00
Alterada
MS-01-07
29,50-29,72
Alterada
MS-01-08
30,00-30,50
Inalterada
MS-01-09
35,17-35,50
Alterada
MS-01-10
36,87-37,12
Alterada
muestra
Alterada
Perforación E-1
3.1.2.1 Litología
Esta segunda perforación está ubicada a media altura del espaldón aguas arriba, habiéndose
alcanzado una profundidad total de 31,0 metros. Después de los 2,5 metros, donde se observó
Suelos usados en la presa
19
una arcilla arenosa de plasticidad media con partículas de grava de color marrón rojizo, se han
encontrado hasta la profundidad de 25 metros el relleno de arcilla arenosa de plasticidad media
color marrón rojizo, sobreyaciendo a 3,0 metros de material aluvial con bolones de arenisca de
30 centímetros en una matriz limo-arenosa. A partir de los 29 metros se encuentra el macizo
rocoso de color rojo claro y con rasgos menores de meteorización.
3.1.2.2 Muestras
De esta perforación han sido tomadas 2 muestras inalteradas y 5 muestras alteradas de las
profundidades mostradas en la siguiente Tabla 3
Tabla 3 Muestras tomadas en la perforación E-1
3.1.3
Tipo de
Identificación
Profundidad (m)
MS-02-01
5,25-5,50
Alterada
MS-02-02
7,00-7,50
Inalterada
MS-02-03
9,80-10,00
Alterada
MS-02-04
14,00-14,50
Inalterada
MS-02-05
15,68-15,88
Alterada
MS-02-06
20,17-20,50
Alterada
MS-02-07
24,74-25,00
Alterada
muestra
Perforación PI-1
La erosión de la parte superior del núcleo del estribo izquierdo durante el mes de febrero ha
creado una brecha de aprox. 8 metros de ancho en la base, delimitada en el lado izquierdo por
el macizo rocoso y en el lado derecho por el núcleo mismo ( Figura Nº 4). Con la finalidad de
obtener información del núcleo y la zona de contracto núcleo-macizo rocoso ha sido ejecutada la
perforación Pl-1 con una inclinación de 70 grados respecto a la horizontal. En los primeros 5,5 m
se ha recuperado testigos de arcilla de plasticidad alta color rojo y consistencia firme. Llama la
atención la recuperación baja de 50 a 60 %. Desde la profundidad 5,5 hasta el final de la
perforación 11,5 m se tiene una arenisca rojo claro. En los primeros 1,5 m la recuperación es de
81 % y el RQD igual a 53 %. La recuperación mejora hasta 91 % en los próximos 1,5 m (7,0 a
8,5 m), así como también el RQD que sube hasta 71%. Desde los 8,5 a los 10 m la recuperación
Suelos usados en la presa
20
es de 100 % y el RQD igual a 63 %. Finalmente, el último tramo desde los 10 m hasta los 11,5
m la recuperación baja a 70 % y el RQD a 53%.
Los datos obtenidos muestran que el macizo rocoso del estribo izquierdo en bastante
heterogéneo en el área estudiada, a pesar de la apariencia de ser un masivo competente.
De esta perforación PI-1 no se seleccionaron muestras.
3.1.4
Perforación PI-2
3.1.4.1 Litología
Esta perforación vertical en la vecindad del estribo izquierdo ha sido realizada también desde la
solera de la brecha con una profundidad total de 23,5 metros. Los primeros 17,5 metros
corresponden a arcillas plasticidad media de color rojo y de consistencia rígida. La recuperación
ha sido sistemáticamente de 100 %.
A los 18,0 metros se encuentra el contacto con el macizo rocoso formado por areniscas de color
rojo claro con recuperación de 100 % y RQD cambiante: de 17,5 a 19,0 m 55 %, de 19 a 20,5 m
61 %, hasta la profundidad de 22,0 m baja aún más a 46 %, y en el último tramo sube a 88 %.
La tendencia a la heterogeneidad se mantiene.
Considerando las observaciones hechas en las dos últimas perforaciones en los tramos
asociados al macizo rocoso (grado de fracturación medio) es posible concluir que el macizo
rocoso en el estribo izquierdo tiene una permeabilidad superior a la exigida para el apoyo de una
presa. Esta situación compromete la estanqueidad del estribo.
3.1.4.2 Permeabilidad
El tramo inyectado esta al final de la perforación (20 a 23,5 metros). En este ensayo se llegó a la
presión máxima efectiva de 0,692 MPa, habiéndose observado una dilatación con una
permeabilidad de 11 Lu, permeabilidad superior al límite mayor admisible.
3.1.4.3
Muestras
Las primeras 4 muestras corresponden a las arcillas del núcleo, mientras que las dos últimas son
de la roca cretácica.
Suelos usados en la presa
21
Tabla 4 Muestras tomadas en la perforación PI-2
Profundidad
Tipo de
(m)
muestra
MS-04-01
3,60-4,00
Alterada
MS-04-02
5,35-5,50
Alterada
MS-04-03
10,00-10,30
Alterada
Identificación
MS-04-04
15,00-15,25
Alterada
MR-04-01
18,00-18,50
Núcleo
MS-04-02
22,00-23,00
Núcleo
3.2
Resultados de ensayos en laboratorio.
3.2.1
Granulometría y límites de consistencia del suelo del núcleo
En los rellenos del núcleo han sido realizadas tres perforaciones: en la cresta de la presa el P-1,
en la solera de la brecha el PI-1 inclinado y el PI-2. Del PI-1 no se han tomado muestras, ya que
esta perforación tenía como objetivo estudiar el contacto núcleo-roca y la roca misma. A
continuación son presentados los resultados de los ensayos realizados en laboratorio.
3.2.1.1 Perforación P-1
Los resultados obtenidos en laboratorio para las diez muestras analizadas de la perforación P-1
han sido reunidos en la Tabla 5. Nótese que los ensayos para determinar la distribución de las
fracciones de limos y arcillas por hidrometría han sido realizados para cuatro muestras.
La muestra MS-1-03 (profundidad 11,0 a 11,5 m) es clasificada como arena arcillosa (SC),
mientras que todas los otras 9 muestran son clasificadas como arcilla magra con arena (CL). Las
curvas granulometrías representadas en el gráfico de la Figura Nº 26 demuestran la
homogeneidad muy razonable del relleno del núcleo, excepto la muestra MS-01-03. La
clasificación obtenida se confirma también en la carta plástica de Casa Grande.
Tabla 5 Distribución granulometría y límites de consistencia del núcleo (perforación P-1)
Suelos usados en la presa
22
% de finos
ID
Muestra
Profundidad
% de
% de
grava
arena
% de limo
MS-0101
MS-0102
MS-0103
MS-0104
MS-0105
MS-0106
MS-0107
MS-0108
MS-0109
MS-0110
Clasificación
LL (%)
IP (%)
% de
ASTM D
arcilla
2487
(CL) Arcilla
5,50-5,80
0
20,6
35,1
44,3
49,7
29,3
magra con
arena
(CL) Arcilla
10,00-10,50
0
22,5
47,9
29,6
36,9
19,1
magra con
arena
11,00-11,50
1,4
59,4
39,1
46,4
27,7
15,47-15,73
0
5,8
94,2
63,1
40,5
20,00-20,50
0
8,5
54,8
32,9
24,60-25,00
0
14,9
49,8
31
37,5
54
(SC) Arena
arcillosa
(CH) Arcilla
grasa
(CH) Arcilla
grasa
(CL) Arcilla
85,1
magra con
arena
(CL) Arcilla
29,50-29,72
0
18,5
81,5
42,4
25,6
magra con
arena
30,00-30,50
0
7,1
35,17-35,50
0
14,2
36,87-37,12
0,6
13
43,3
49,6
54,6
34,2
85,8
49,3
26,7
86,4
51,5
31,4
(CH) Arcilla
grasa
(CL) Arcilla
magra
(CH) Arcilla
grasa
Suelos usados en la presa
23
100
90
Porcentaje que pasa [%]
80
70
60
50
40
30
20
10
0
100,000
10,000
1,000
0,100
0,010
0,001
Diámetro de partículas [mm]
MS-01-01
MS-01-02
MS-01-03
MS-01-04
MS-01-05
MS-01-06
MS-01-07
MS-01-08
MS-01-09
MS-01-10
Figura Nº 26 Curvas granulometrías arcillas del núcleo. Muestras de la Perforación P-1
3.2.1.2 Perforación PI-2
La distribución granulometríca de las cuatro muestras tomadas en esta perforación es mostrada
en la siguiente Tabla 7. La fracción de finos (menores a 0,074 mm) es grande (aprox 85 %)
coincidiendo con las distribuciones encontradas en la perforación P-1 en la corona de la presa.
Estos datos nos indican que el suelo utilizado para el relleno y compactación del núcleo es
homogéneo, certificando el manipuleo de suelos adecuado durante el colocado y la
compactación.
Tabla 6 Distribución granulometría y límites de consistencia del núcleo (perforación PI-2)
%
ID Muestra
% de finos
Humedad
de
% de
w (%)
gra
arena
% de limo
va
% de
LC
LL
(%)
IP (%)
arcilla
(%)
Clasificación
ASTM D
2487
(CL) Arcilla
MS-04-01
15,9
0
16,7
83,3
48,7
30,6
-
magra con
arena
MS-04-02
19,6
0
5,3
94,7
61,4
36,8
-
(CH) Arcilla
grasa
Suelos usados en la presa
24
MS-04-03
18,3
0
10,5
89,5
54,8
30,7
-
MS-04-04
19,2
0
16,9
83,1
47,4
26,3
-
(CH) Arcilla
grasa
(CL) Arcilla
magra con
arena
3.2.2
Granulometría y límites de consistencia del suelo de los espaldones
3.2.2.1 Perforación E-1
Para recabar información del suelo usado en los espaldones se ha realizado la perforación E-1,
a media altura del paramento aguas arriba. Se han tomado 7 muestras a diferentes
profundidades, tal como se muestra en la Tabla 7. Para las muestras MS-02-2 y MS-02-4 se ha
determinado la curva granulometría completa (ver Figura Nº 27). Según el sistema la clasificación
de Suelos Unificado se trata de una arcilla magra con arena (CL) en los estratos superiores y
arcilla grasa (CL) en los últimos metros.
Tabla 7 Distribución granulometría y límites de consistencia de los espaldones (perforación E-1)
ID
Muestra
Profundidad
% de
% de
grava
arena
% de finos
% de limo
Clasificación
% de
LL (%)
IP (%)
arcilla
ASTM D
2487
(CL) Arcilla
MS-02-01
0
27,1
72,9
28,6
11,7
5,25-5,50
magra con
arena
(CL) Arcilla
MS-02-02
0
29,5
47,7
22,8
28,3
12,3
7,00-7,50
magra con
arena
(CL) Arcilla
MS-02-03
0
27,7
72,3
30,4
15
9,80-10,00
magra con
arena
MS-02-04
14,00-14,50
0
31,5
MS-02-05
15,68-15,88
0
30,2
MS-02-06
20,17-20,50
0
MS-02-07
24,74-25,00
0
50,3
18,2
27,1
11,6
69,8
27,2
10,6
31,8
68,2
26,5
11,1
7,4
92,6
53,9
31,7
(CL) Arcilla
magra arenosa
(CL) Arcilla
magra arenosa
(CL) Arcilla
magra arenosa
(CH) Arcilla
grasa
Suelos usados en la presa
25
100
90
Porcentaje que pasa [%]
80
70
60
50
40
30
20
10
0
100,000
MS-02-01
10,000
1,000
0,100
0,010
Diámetro de partículas [mm]
MS-02-02
MS-02-03
MS-02-05
MS-02-06
0,001
MS-02-04
MS-02-07
Figura Nº 27 Curvas granulometrías de arcillas en los espaldones. Perforación E-1
3.2.3
Límites de consistencia
Los límites de consistencia de todas las muestras estudiadas han sido reunidos en la Figura Nº
28. La arcilla utilizada para conformar el núcleo tiene una plasticidad de alta a media, mientras
que aquella utilizada en los espaldones tiene generalmente una plasticidad baja, aunque se
constata una muestra con plasticidad alta. Esta desviación puede ser el resultado de una
deposición de arcilla para el núcleo, ya que visualmente son muy semejantes.
Comparando los datos recientemente determinados por el Grupo Estabiliza y aquella obtenidas
rutinariamente por la Asociación Accidental San Alberto durante la construcción de la presa, se
puede afirmar que los suelos utilizados tanto para el núcleo como para los espaldones han sido
controlados permanentemente
Suelos usados en la presa
26
60
BAJA
ALT
MEDI
Índice de Plasticidad. IP
50
CH o
40
30
CL o OL
20
MH o OH
10
CL— ML
0
10
Límite Líquido (LL)
ML o
0
20
Línea A
30
40
50
60
Línea U
P-1
70
80
E-1
90
100
110
Límite Superior
PI-2
Figura Nº 28 Cartilla plástica de Casa Grande, núcleo y espaldones
Cartilla plastica de Casagrande Presa
"Espaldones"
60
60
50
50
Índice plasticidad
Índice plasticidad
Cartilla Plastica de Casagrande
"Nucleo"
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100
Límite líquido
Límite líquido
Fuente: Registros de construcción. Asociación San Alberto
(a) Núcleo
(b) Espaldones
Figura Nº 29 Cartilla plástica de Casa Grande
3.2.4
Potencial de expansión
Para las muestras con una curva granulometría completa es posible estimar el potencial de
expansión haciéndose uso del diagrama de Seed, Woodward y Lunger (1962), presentado en la
Figura Nº 30. En esta figura se constata que las arcillas del núcleo de la presa Caiguami-Chimeo
Suelos usados en la presa
27
tienen un potencial de expansión alto a medio, lo cual es favorable porque la capacidad de
“autocurado” de las arcillas está presente ya que la arcilla reaccionara sellando las posibles
fisuras internas cuando la arcilla es sometida a una saturación lenta.
ÍNDICE DE ACTIVIDAD
B
Índice de Plasticidad. IP
AL
TA
ME
DIA
80
60
MUY
ALTA
40
20
0
100,0
90,0
80,0
70,0
60,0
50,0
40,0
30,0
20,0
10,0
0,0
Porcentaje menor a 0,002 mm, (%)
P-1
E-1
Figura Nº 30 Potencial de expansión
3.3
Permeabilidad
3.3.1
Ensayos en muestras de arcilla
Para los ensayos de permeabilidad se realizaron previamente ensayos de compactación con el
propósito de tener una muestra remoldeada en las condiciones “in situ” de la presa actual, es
decir, la humedad óptima y el peso específico máximo. La permeabilidad ha sido determinada en
una celda triaxial, habiéndose obtenido los siguientes valores mostrados en la Tabla 8.
Tabla 8 Distribución granulometría y límites de consistencia de los espaldones (perforación E-1)
Muestra de w % optima Peso especifico
maximo (KN/m3)
Espaldon
10,2
20,1
Nucleo
11,2
18,3
Permeabilidad
(m/s)
6,48E-08
4,00E-09
La permeabilidad de la arcilla compactada usada en el núcleo y el dentellón es 100 veces más
grande que lo prescrito para presas de material suelto con núcleo, mientras que las arcillas
compactadas usadas en los espaldones es muy baja. En un caso de vaciado lento del embalse
la baja permeabilidad se traduce en la reducción del coeficiente de seguridad porque la presión
de poros se disipa muy lentamente.
Suelos usados en la presa
28
3.4
Peso unitario y humedad
Se han determinado para 18 muestras el peso unitario y el peso seco, valores presentados en
la Tabla 9. El peso y la humedad promedio de la arcilla utilizada en el núcleo y dentellón es 20,83
KN/m3 y 17,77 % respectivamente para las muestras de la perforación P-1 y 20,48 KN/m3, y 17,32
% para la perforación PI-1. Para la arcilla de los espaldones se tiene un peso unitario de 21,55
KN/m3 y una humedad de 13,9 %.
Los pesos específicos determinados cumplen con los
requerimientos técnicos para este tipo de presas.
Perf. PI-2
Perforación E-1
Perforación P-1
Tabla 9 Peso unitario natural, seco y humedad
3.5
ID Muestra
Peso
unitario,
(kN/m3)
Humedad
(%)
MS-01-04
20,84
19,4
Peso
unitario
seco
(kN/m3)
17,45
MS-01-05
21,73
17,1
18,55
MS-01-06
20,49
18,3
17,32
MS-01-07
21,36
13,6
18,81
MS-01-08
20,19
21,3
17,8
MS-01-09
20,56
19,4
17,22
MS-01-10
20,66
19,7
17,26
MS-02-01
21,62
12,3
19,25
MS-02-02
21,82
14,1
19,12
MS-02-03
21,52
14,6
18,78
MS-02-04
21,79
12,9
19,3
MS-02-05
21,62
12,3
19,25
MS-02-06
22,17
10,3
20,1
MS-02-07
20,28
20,8
16,79
MS-04-01
20,68
15,9
17,84
MS-04-02
20,23
19,6
16,91
MS-04-03
20,35
18,3
17,2
MS-04-04
20,66
19,2
17,33
Dispersividad
La dispersividad de las arcillas ha sido estudiada aplicándose dos métodos: el ensayo “pin-hole”
y el ensayo del terrón según normas americanas en muestras inalteradas.
Suelos usados en la presa
29
El ensayo “pin-hole” ha sido realizado para cuatro alturas de carga según la norma ASTM vigente.
El pequeño orificio de un milímetro de diámetro no ha sido erosionado y las aguas siempre fueron
cristalinas. Como ejemplo se ha extractado del informe de Grupo Estabiliza el protocolo de un
ensayo con la muestra MS-1-1, presentado en la Tabla 10. Los ensayos indican que las arcillas
del núcleo no son dispersivas, código ND1.
El ensayo del terrón es otro que permite cualitativamente el grado de Dispersividad. Consiste
básicamente en colocar en un recipiente con agua destilada un terrón y observar el grado de
difusión de solidos que pudiera presentar en el recipiente. En la Figura Nº 31 se muestra el
protocolo del ensayo realizado también con la muestra MS-1-1. Después de 6 horas no se
observa ningún tipo de difusión de solidos o nubosidad. Este es el indicativo para afirmar que la
arcilla no es dispersiva.
Tabla 10 Protocolo del ensayo “pin-hole”
Suelos usados en la presa
30
Figura Nº 31 Ensayo de Dispersividad. Método del terrón. Muestra MS-1-1
3.6
Parámetros de resistencia
Para estimar rangos de valores para los parámetros de resistencia han sido realizados varios
ensayos de corte directo drenados con rango de valores del esfuerzo normal compatibles con los
esfuerzos esperados en la presa. Los resultados de estos ensayos son presentados en la Tabla
11.
Tabla 11 Parámetros de resistencia
ID
muestra
suelo
MS-01-02
MS-01-04
MS-01-05
MS-01-08
MS-02-02
MS-02-04
Resistencia
al corte no
drenado
Parámetros drenados críticos
cu’ (kPa)
Cohesión
207,7
344,3
307
208,2
239,5
c’ (kPa)
70,6
-
Ángulo
de
fricción
φ’ (°)
14,8
-
Parámetros drenados pico
Cohesión
Ángulo de
fricción
c’ (kPa)
62,4
-
φ’ (°)
918,3
-
Suelos usados en la presa
31
3.7
Consolidación de las arcilla
Fueron seleccionadas cinco muestras para realizar los ensayos de consolidación. Los valores
determinados son la base para estimar las deformaciones (asentamientos) y la seguridad de la
presa. En la Tabla 12 han sido reunidos los resultados de los ensayos, mientras que en la ……
se muestra la cueva de consolidación de la muestra MS-01-08
Tabla 12 Resultados ensayos de consolidación
Esfuerzo
efectivo
inicial
Esfuerzo efectivo
Coeficiente
Coeficiente
de
de
de expansión
preconsolidación consolidación
ID muestra
suelo
Índice de
vacíos
(kPa)
(kPa)
cc
cs
MS-01-02
0,467
183
499
0,147
0,051
MS-01-05
0,483
366
855
0,184
0,068
MS-01-08
0,624
499
499
0,219
0,062
MS-02-02
0,355
87
245
0,119
0,026
MS-02-04
0,432
166
290
0,141
0,02
Suelos usados en la presa
32
Figura Nº 32 Curva de consolidacion . Muestra MS-01-08
3.8
Composición mineralógica de la arcilla
La composición mineralogía ha sido determinada en los laboratorios de materiales no-metálicos
de la UMSS. La muestra analizada corresponde a los suelos arcillosos colocados en el núcleo
de la presa. En el difractograma han sido detectas kaolinita, illita y cuarzo, siendo predominante
este último como se muestra en la Figura Nº 33. La presencia de kaolinita e illita permiten hacer
una estimación y control del valor del ángulo de fricción interna de las arcillas utilizadas
haciéndose uso de los resultados experimentales mostrados en la Figura Nº 34.
Suelos usados en la presa
33
Illita,
kaolinita,
cuarzo,
Figura Nº 33 Difractograma. Mineralogia de la arcilla del nucleo (UMSS).
Figura Nº 34 Relacion Indice de Plasticidad vs Angulo de friccion interna
3.9
Propiedades de la roca intacta del estribo izquierdo
3.9.1
Petrografía
Las placas delgadas de las muestras de roca MR-04-01 y MR-04-02 estudiadas bajo un
microscopio electrónico petrográfico del laboratorio del Instituto de Geología del UMSA definen
las rocas del estribo izquierdo como una arenisca cuarcita de grano medio con predominancia
de clastos de cuarzo en una matrix de calcita y arcilla, tal como se ve en la Tabla 13.
Suelos usados en la presa
34
Tabla 13 Composición mineralógica de la roca
Muestra
Mineral
Cuarzo
Calcita
Turmalina
Circón
Menas de
hierro
Litoclastos
Matrix
MR-04-01
Porcentaje
(%)
84
2
<1
<1
MR-04-02
1
1
12
1
8
8
90
<1
<1
1
Lo significativo para el Proyecto e la presencia de carbonato de calcio (CaCO3) en la roca y sobre
todo en la matrix. De hecho, la Muestra MR-04-02 mostro efervescencia en contacto con el ácido
clorhídrico, mientras que la muestra MR-04-01 tenía una efervescencia menor. La presencia de
calcita en la matrix de rocas cretácicas es muy frecuente. Si se considera que la deposición del
carbonato de calcio na ha sido uniformemente distribuida en toda el área de deposición de los
clastos de cuarzo, encontraremos zonas con una presencia limitada, como es el caso de la
muestra MR-04-01 y otras zonas con mayor cantidad de CaCO3 y otras áreas con una presencia
más determinante. En general se puede afirmar que en un ambiente geológico como es el de la
presa Caiguami-Chimeo ha tenido que haber procesos de lixiviación del catión Ca (disolución de
la calcita) y por tanto, se tendrán oquedades de diferentes tamaños.
3.9.2
Parámetros de la roca
El resultado de los ensayos realizados con las muestras extraidas de la perforación PI-04 han
sido reunidos en la Tabla 14.
Tabla 14 Parámetros geomecánicos de la roca
Muestra
Peso unitario
seco (KN/m3)
Resistencia a
la compresión
simple (MPa)
Resistencia a
la tracción
directa (MPa)
Ensayo de
desleimiento
Id,1, (%)
Clasificación
según ISRM
MR-04-01
MR-04-02
25
23,4
15,5
17,6
1,1
1,5
86,2
76,3
Blanda
Blanda
Suelos usados en la presa
35
4 Análisis de la Erosión Interna en la presa Caiguami-Chimeo
4.1
Generalidades
La erosión es la puesta en movimiento, transporte y la reubicación de las diferentes fracciones
del suelo, cuando es sobrepasado el valor límite o crítico de la fuerza tractiva debido al flujo del
agua en el medio poroso. Se define como erosión interna o regresiva cuando a partir de espacios
vacíos en el cuerpo de la presa (fisuras por deformaciones diferenciales o concentración de
esfuerzos), espacios creados en el interior del cuerpo de la presa por la lixiviación de cationes
especialmente de Sodio, calcio y magnesio, etc. se inicie una erosión hacia aguas arriba y un
arrastre hacia aguas abajo de las partículas del suelo.
Foster y Fell (1999) proponen tres posibles orígenes de la erosión interna: i).- Desde el núcleo
debido a la lixiviación de cationes, mala compactación o fisuras originadas por otras causas,
mostrado en la Figura Nº 35, ii).- Desde el pie de la presa debido a altas presiones intersticiales,
tal como se ilustra en la Figura Nº 36 y iii).- Erosión que se inicia en el plano de contacto núcleofundación y continua hasta el paramento aguas arriba, ilustrada en la Figura Nº 37.
En todos los casos se tiene una erosión regresiva a través de la tubificación cruzando las
diferentes zonas de una presa. En todos los caso se forman tubos internos a través de los cuales
fluye el agua.
Inicio
Final
Figura Nº 35 Caso I. Desarrollo de la erosion iniciada en el nucleo con regresion hacia aguas
arriba
Análisis de la Erosión Interna en la presa Caiguami-Chimeo
36
Inicio
Final
Figura Nº 36 Caso II. Desarrollo de la erosion iniciada en la fundacion al pie de la presa
Inicio
Final
Figura Nº 37 Caso III. Desarrollo de la erosion iniciada en el plano de contacto nucleofundacion.
Otra herramienta útil para el análisis de fenómenos de erosión interna es la presentada en el
Boletín 164 de la ICOLD (2013) “Internal Erosion of existing Dams, Levees and Dikes and their
Foundations” respecto a las posible lugares de iniciación de la erosión interna, y adoptada en
este informe como Figura Nº 38 .
Análisis de la Erosión Interna en la presa Caiguami-Chimeo
37
1 Pared lateral del aliviadero, 2 Vecindad del conducto, 3 Fisuras asociadas a estribos con alta
pendiente, 4 Disecación en el tope del núcleo, 5 Contacto relleno, 6 Fundación para rocas
blandas y suelos, 7 Erosión en una capa de relleno mal compactada.
Figura Nº 38 Posibles lugares de iniciacion de erosion interna
4.2
Análisis
Lo observado durante 4 días en los cuales se formó la brecha, es decir, la localización del
fenómeno en el estribo izquierdo, la cota desde donde surgió el flujo de agua con una turbidez
alta, la formación de la chimenea (hundimiento), etc. nos permite concluir que el fenómeno de
erosión interna esta asociados con el Caso I ( Figura Nº 35) y se ha iniciado en el estribo
izquierdo.
Como inicio de la erosión interna queda descartada la posibilidad de una lixiviación de cationes
(dispersividad) porque las arcillas son no-dispersivas para el limo arcilloso de los espaldones
Análisis de la Erosión Interna en la presa Caiguami-Chimeo
38
según los tres métodos aplicados. Las arcillas del núcleo son no-dispersivas para los ensayos
del Pin Hole y del terrón (Crumb test) y con dispersión intermedia según el ensayo de la doblehidrometría.
Como inicio plausible de la erosión interna queda la formación de fisuras horizontales en el
plano de contacto “núcleo- macizo rocoso” debido a deformaciones diferenciales y estados
esfuerzos con esfuerzos de tracción altos. Entonces, las pendientes altas del plano de
contracto “núcleo-macizo rocoso” y la presencia de protuberancias (ver p. e. Figura Nº 39) son
las principales causas del inicio de la erosión interna y el lavado de parte del relleno de la presa
en la vecindad del estribo izquierdo.
El incremento rápido del nivel de espejo de aguas en el embalse ha tenido que jugar un papel
importante en el desarrollo de la erosión interna.
Figura Nº 39 Pared vertical rocosa e irregularidades (protuberancias y depresiones) en la
superficie de contacto “fundacion-nucleo de arcilla” en el eje de la presa
Análisis de la Erosión Interna en la presa Caiguami-Chimeo
39
5 Habilitación de la presa
Considerando que gran parte del cuerpo de la presa no ha sido afectado por la erosion de la
misma en el estribo izquierdo, somos de la opinion que la presa podra ser habilitada sin perder
la seguridad exigida para este tipo de obras civiles.
La medida inmediata para la rehabilitacion de la presa sera excavar un dentellon en el macizo
rocoso del apoyo izquierdo adoptando una pendiente 1 (H): 2 (V) como maxima para la base y
aun menor que fuera posible, y tambien 1 (H): 2 (V) para las parede laterales. En la Figura Nº 40
es mostrada la excavacion propuesta. Tambien, es necesario resaltar que la superfice de
contracto del nucleo con el macizo rocoso debe ser lo mas uniforme posible sin protuberancias
o depresiones. Estas ultimas podran ser rellenadas con hormigon hasta lograr una superficie de
contacto lo mas lisa posible.
La excavacion del nucleo existente a la derecha de la brecha debera ser excavado con una
pendiente igual a 1(H):1(V) o menor, en funcion al grado de compactacion que se encuentre
durante la excavacion de la parte superficial del nucleo.
Figura Nº 40 Excavaciones propuestas en el estribo izquierdo. Corte vertical
Considerando la topografia accidentada del estribo izquierdo de la presa se observa que la
disposicion adecuada del eje longitudinal de la presa es mantener el diseño original, es decir,
mantener el eje como recta lineal, tal como se muestra en la Figura Nº 41.
Habilitación de la presa
40
Figura Nº 41 Excavaciones propuestas en el estribo izquierdo. Planta
Parte del relleno del núcleo y los espaldones deberán ser retirados y rellenados nuevamente, tal
como se muestra en la Figura Nº 40. Además, será necesario incrementar la humedad al colocar
la arcilla cerca al macizo rocoso en un 10 % respecto a la humedad óptima.
6 Conclusiones y Recomendaciones
6.1
i.
Conclusiones
Un carácter dispersivo de las arcillas como iniciadores de la erosión interna es poco
probable.
ii.
Como un posible iniciador principal del fenómeno de erosión interna se puede indicar la
formación plausible de fisuras horizontales por la presencia de protuberancias y
oquedades en el plano de contacto núcleo - macizo rocoso.
iii.
La intensidad de precipitaciones extraordinaria y el llenado rápido del embalse ha sido un
factor decisivo en el desarrollo de la erosión interna.
iv.
Con un llenado lento la arcilla hubiera tenido el tiempo necesario para expandirse
(incremento de volumen) y así haber cerrado las fisuras formadas en la inmediata
vecindad del núcleo y el macizo rocoso.
Conclusiones y Recomendaciones
41
v.
Es necesario modificar el plano de contacto núcleo-macizo rocoso en el estribo izquierdo
para incrementar la seguridad de la presa, según las recomendaciones actuales de la
ingeniería de presas.
vi.
Las paredes verticales de la brecha y la formación de una cavidad estable por varias
horas durante el proceso de erosión muestran un material con una alta resistencia a la
fuerza cortante de arrastre del flujo de agua, demostrando que la colocación y
compactación de la arcilla ha sido bien ejecutada.
vii.
Las propiedades geomecánicos de los suelos para el relleno de núcleo, dentellón y
espaldones cumplen satisfactoriamente con los requisitos técnicos exigidos. Los valores
de los parámetros de resistencia y deformación determinados en los laboratorios de la
empresa Grupo Estabiliza son compatibles con valores registrados en la literatura técnica.
viii.
La investigación petrográfica muestra una matriz o material cementante compuesto por
arcillas y calcita distribuidas erráticamente. Esto significa que se debe esperar la
presencia de cavidades de diferente tamaño en el macizo rocoso, tal como se viene
confirmando durante las últimas actividades de limpieza y excavación.
ix.
La intervención rápida de los constructores ha logrado limitar el daño, limitándolo al área
del estribo izquierdo donde tuvo inicio la erosión interna. El paramento aguas arriba de la
presa ha sufrido menos daños que el paramento aguas abajo donde se ha formado un
pequeño cañadón.
x.
Gran parte de la presa (parte central y estribo derecho) no ha sufrido daño alguno.
xi.
Considerando que la presa ha sido construida respetando las prescripciones técnicas
contractuales y las buenas “reglas del arte”, toda la parte central y derecha de la presa
están en buenas condiciones estructurales. Consecuentemente, la habilitación y
conclusión de la presa es factible sin perder la seguridad de la misma.
6.2
i.
Recomendaciones
Excavar en el estribo izquierdo una trinchera con una pendiente del plano de contracto
con el núcleo igual o menor a 1(H): 2(V).
ii.
Durante la excavación del dentellón en el estribo izquierdo se deberá realizar un mapeo
detallado de todos los rasgos geológico (litología, estructural, etc) para programar con
información confiable y segura una campaña adicional de inyecciones en el estribo
izquierdo.
Conclusiones y Recomendaciones
42
iii.
Uniformizar la superficie de contacto eliminado cualquier protuberancia por medio de una
excavación mecánica. Las depresiones podrán ser rellenadas con hormigón y las
diaclasas y fisuras con lechada de cemento.
iv.
Retirar los rellenos actuales en la vecindad de las paredes y el piso de la brecha hasta
observar el relleno sin rastros de alteración. Se estima una excavación de
aproximadamente 4 metros de ancho en la pared inclinada del núcleo y los espaldones a
la derecha, y una profundidad en el piso de 5 metros.
v.
Colocar el nuevo relleno de arcilla con una humedad mayor a la óptima en unos 10 %, en
un ancho de unos 4 metros desde el plano de contacto.
vi.
Dejar unos tubos con manguitos en el plano de contacto núcleo-macizo rocoso para
inyectar lechada de cemento en caso necesario.
vii.
Programar cuidadosamente el llenado del embalse con incrementos de nivel no mayor a
0,6 a 1,0 metro por día.
viii.
Diseñar e implementar un sistema de auscultación, especialmente piezómetros,
medidores magnéticos de asentamiento, celdas de carga total, instalación de mojones
para el control geométrico superficial y medidor de caudal de infiltración.
Cochabamba, Villa Montes, 18 de mayo de 2018
Dr.-Ing. Gabriel Rodríguez Roca
RNI 1832
Conclusiones y Recomendaciones
43
Referencias bibliográficas
1. Ministerio de Obras Públicas. (1967) “Instrucción para el Proyecto, Construcción y
Explotación de Grandes Presas”. Madrid, España
2. Comité Nacional Español de Grandes Presa (Spancold) (1996) “Reglamento Técnico
sobre Seguridad de Presas y Embalses”. Madrid, España.
3. Comité Nacional Español de grande Presas (Spancold), “Guía Técnica No P2 Criterios
para Proyectos de Presas y Obras Anejas”. Tomo 2 Presas de Materiales Sueltos.
Con formato: Español (Bolivia)
Madrid, España.
3.4.
ICOLD (2005). “. Dam Foundations”. Paris, Francia
Con formato: Inglés (Estados Unidos)
4.5.
US Bureau of Reclamations (2014). “Design Standard N 13 Embankments Dams”.
Con formato: Inglés (Estados Unidos)
Con formato: Inglés (Estados Unidos)
E.E.U.U.
5.6.
Kutzner Christian (1997). “Earth and Rockfill Dams”. Principles of Design and
Construction”.
6.7.
Comité Francés de Presas y Reservorios (CFBR). (2015)
7.8.
Grupo Estabiliza Ingeniería S.R. L “Estudio Geotécnico Presa Caiguami-Chimeo”
Mayo 2018 “Stabilite des Barrages et des Digue en Remblai. Paris Francia.
Conclusiones y Recomendaciones
44
Con formato: Inglés (Estados Unidos)