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• FRANK TORRES CALVAY

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GEOTECNIA DE PRESAS

DEFINICION

La presa es una estructura hidráulica que forma almacenamiento previamente elegido cambiando el régimen natural del escurrimiento al régimen artificial de la demanda de acuerdo al fin o fines a que se destine. El hombre inventó las presas como medio de resolver el problema de abastecimiento de agua y por ello deben cubrir dos funciones.

Retener el agua mediante una barrera impermeable

Ser estables y duraderas

TIPOS DE PRESAS De gravedad, que retienen el agua gracias al tipo de materiales empleados, como mampostería u hormigones.

De contrafuerte, formadas por una pared impermeable situada aguas arriba, y contrafuertes resistentes para su estabilidad, situados aguas abajo.

De arco-bóveda, que aprovechan el efecto transmisor del arco para transferir los empujes del agua al terreno. De tierra o escollera, con un núcleo de material arcilloso, que a veces es tratado químicamente o con inyecciones de cemento.

PARTES PRINCIPALES DE UNA OBRA DE REPRESAMIENTO

Vertedor

Torre de control

Ràpida

Terraplén Conducto de descarga

(Presa) Dren

Conducciòn

TOPOGRAFIA DEL VASO

TOPOGRAFIA DE LA BOQUILLA

1.4 Hidrología del proyecto. ➢ Información

climatológica:

Velocidad

máxima

del

viento,

evaporación diaria o mensual, temperatura máxima y mínima. • Caudales de aporte de la cuenca al 75% y 85% de persistencia.

• Caudales de demanda del proyecto (consumo poblacional, irrigación, pecuario, hidroenergía, industrial, etc.) ➢ Volúmenes del embalse: Volumen muerto, volumen muerto por cota de derivación, volumen inactivo, volumen útil, volumen de súper almacenamiento.

1.5 Mecánica de suelos y rocas del material de préstamo.

▪ El estudio se hace en las canteras en un radio no mayor de 5 km desde la boquilla. ▪ Clasificación SUCS . ▪ Pruebas triaxiales (UU, CU, CD)

▪ Porosidad ▪ Peso específico ▪ Pruebas de permeabilidad

▪ Módulo de deformación

ESTUDIOS GENERALES PARA EL DISEÑO * Análisis

de las necesidades en agua

* Esquema director de acondicionamiento de las cuencas * Inventario y comparación económica de zonas de presas

* Estudios de factibilidad * Estudios de impacto y de ambiente * Estudios geológicos y hidrogeológicos

* Análisis económico

ESTUDIOS DE PROYECTO Y EJECUCION

Para dichos estudios, se organizan equipos multidisciplinarios que se preocupan por el conjunto de las especialidades : * hidrología ( aportación sólida, crecidas ) * geología e hidrología

* geotécnica, mecánica de los suelos y de las rocas * hidráulica * cálculo de las estructuras ( obras de hormigón o de tierra y obras subterráneas

* electrotecnia

2.0 GEOLOGIA Y GEOTECNIA

2.1

ASPECTOS

Se debe analizar la geología del área estudiada contemplando toda la información posible de obtener, relacionada con: 2.1.1 ESTRATIGRAFÍA

Descripción litológica, textura, composición, estructuras, origen, espesor, color, distribución y posición la secuencia de las distintas unidades litológicas.

2.1.2 GEOLOGÍA ESTRUCTURAL Fallas y zonas de falla, densidad de diaclasas, aptitud de estratos, diaclasas y foliaciones, cuando se trate de un macizo rocoso.

2.1.3 HIDROGEOLOGÍA Según el nivel de detalle, las unidades estratigráficas se cartografiarán teniendo en cuenta primordialmente su unidad litológica y en segundo lugar su origen.

2.2 ESTUDIOS 2.2.1 PREVIOS Y DE FACTURACION su objeto es establecer la viabilidad de la presa según los siguientes criterios geológicos:

2.2.1.1. Ausencia de riesgo para la seguridad de la presa y el embalse.

2.2.1.2.Condiciones cerrada

geomorfológicas

de

Para la posible construcción de la presa.

la

2.2.2. SOLUCIONES Y DE ANTEPROYECTO Los objetivos son aportar criterios geológicos para la selección del tipo de presa y la cerrada más adecuada, bajo el punto de vista técnico, económico y medioambiental .

Los aspectos geológicos y geotécnicos a considerar son los siguientes: Disponibilidad de materiales de construcción. Resistencia, estabilidad y permeabilidad de la cimentación. Estabilidad de las laderas del embalse. Hidrogeología del embalse. Condiciones sismo tectónicas

2.2.3. PROYECTO DE CONSTRUCCION Sus objetivos son aportar los criterios geológicogeotécnico para el diseño de la presa y sus estructuras auxiliares, tratamientos del terreno y soluciones constructivas.

2.2.4.GEOLOGICO – GEOTECNICO DURANTE LA CONSTRUCCION Su objetivo es verificar las condiciones geológicas encontradas durante la construcción, adaptar las soluciones de proyecto controlar los tratamientos de mejora del terreno.

2.3 CRITERIOS 2.3.1. GENERALES La selección del emplazamiento de una presa depende fundamentalmente de los siguientes factores: ▪

Capacidad del vaso (volumen del embalse).

Impermeabilidad del vaso. Cerrada adecuada: condiciones geológicas y geotécnicas favorables.

geomorfológicas,

2.4. MATERIALES PARA LA CONSTRUCCION Los materiales deben reunir los siguiente requisitos: - Volumen apropiado a la magnitud de la presa. - Calidad adecuada a los distintos fines. - Distancia operativa.

- Facilidad de extracción. - Condiciones medioambientales aceptables para su explotación. Tipología de los materiales En función de su utilización, los materiales se agrupan en los siguientes tipos: - Núcleos impermeables.

- Espaldones y escolleras. - Filtros y drenes.

- Áridos para hormigones.

2.5. PROBLEMAS Y POSIBLES SOLUCIONES En función del problema geológico presente en la cimentación y del tipo de presa y su finalidad, las soluciones pueden ser muy diferentes, describiéndose algunos de los problemas geológicos : ❖Rocas Blandas ❖Rocas Duras

❖Fallas y Zonas de Trituración Tectónica. ❖Cavidades.

CAPITULO III PROYECTO OLMOS

3.1. DATOS BASICOS 3.2.1. TOPOGRAFIA Alcances del estudio topográfico Área del emplazamiento de la presa el limon (1,300 x 800 m),incluido la quebrada los burros a escala 1:1,000 con curvas de nivel equidistantes de 1.00m. Zona de salida del túnel trasandino ( 200 x 200 m ) a escala 1:500 con curvas de nivel equidistantes de 1.00m.

Elaboración de planos en sistema Autocad.

Recopilación de información cartográfica Es el acopio de la información existente: ❖ Carta nacional a escala 1:10,000 elaborado por el Instituto Geográfico Nacional – IGN. ❖ Cuadro de sistema de coordenadas UTM y cotas PSAD – 56 (sistema de triangulación túnel trasandino ). ❖ Imagen satelital IKONOS óptico de alta resolución de 1m. a color. ❖ Señales geodésicas existentes en el IGN tales como:

Imazita El reposo

orden “A” orden “A”

Reconocimiento del área del proyecto El reconocimiento, junto con los servicios se realizaron en el mes de noviembre de 2003.

CONTROL TERRESTRE

Georeferenciacion se toma como base las Estaciones Geodésicas del I.G.N. obtenidos con GPS de doble frecuencia.

Los estudios geológicos BÁSICOS para un proyecto de presa deben incluir como mínimo los siguientes documentos: Una memoria técnica descriptiva Las Columnas estratigráficas típicas representativas de las diversas áreas del proyecto Un mapa geológico general. Planos geológicos detallados de los contactos o elementos geológicos más importantes. Perfiles geológicos que muestren las unidades estratigráficas y estructuras geológicas identificadas. Interpretación de la información geológica y conclusiones del estudio.También son necesario los estudios geotécnicos

METODOLOGÍA DE LOS ESTUDIOS GEOLÓGICOS Y GEOTÉCNICOS A NIVEL DE FACTIBILIDAD Los estudios geológicos y geotécnicos de presas se desarrollan en consonancia con las distintas fases del proyecto y construcción de una presa. 1. Estudios previos y de factibilidad Su objeto es establecer la viabilidad de la presa según los siguientes criterios geológicos: Ausencia de riesgos geológicos significativos para la seguridad de la presa y el embalse (grandes deslizamientos, intensa carstificactón, fallas activas en la cerrada en zonas de alta sismicidad. etc.).

Condiciones geomorfológicas de la cerrada adecuadas para la posible construcción de la presa

2. Estudios de soluciones y de anteproyecto Los objetivos son aportar criterios geológicos para la selección del tipo de presa y la cerrada más adecuada, bajo el punto de vista técnico, económico y medioambiental (la cerrada es el lugar de emplazamiento de la presa). Los aspectos geológicos y geotécnicos a considerar son los siguientes: - Disponibilidad de materiales de construcción. - Resistencia, estabilidad y permeabilidad de la cimentación. - Estabilidad de las laderas del embalse.

- Hidrogeología del embalse. - Condiciones sismotectónicas

3. Estudios para el proyecto de construcción Sus objetivos son aportar los criterios geológico-geotécnico para el diseño de la presa y sus estructuras auxiliares, tratamientos del terreno y soluciones constructivas. Los aspectos a estudiar son: Caracterización geotécnica detallada de la cimentación de la presa.

Estudio geotécnico para el emplazamiento de las estructuras auxiliares. Estudio sísmico y neotectónico. Tratamientos de mejora e impermeabilización. Recomendaciones constructivas.

4. Control geológico-geotécnico durante la construcción Su objetivo es verificar las condiciones geológicas encontradas durante la construcción, adaptar las soluciones de proyecto y controlar los tratamientos de mejora del terreno, desarrollándose los siguientes trabajos: Verificación de las condiciones de proyecto y adaptación a la obra. Seguimiento y control de los trabajos de excavación, cimentación y tratamientos del terreno. Investigaciones Geognosticas: Sondeos, Prospección geofísica, ensayos de permeabilidad, ensayos con trazadores, ensayos de inyectabilidad de mezclas, piezómetros, ensayos dilatométricos, galerías de reconocimiento.

CRITERIOS GEOLÓGICO-GEOTECNICOS DE SELECCIÓN DE PRESAS Criterios generales La selección del emplazamiento de una presa depende fundamentalmente de los siguientes factores: • Capacidad del vaso (volumen de embalse). • Impermeabilidad del vaso. • Cerrada adecuada: condiciones geomorfológicas, geológicas y geotécnicas favorables. Valor de los terrenos inundados (poblaciones, infraestructuras, etc.). • Disponibilidad de materiales de construcción próximos a la presa. • Condiciones favorables para ubicar el aliviadero, ataguías y demás obras auxiliares. Una vez determinada la ubicación más adecuada para el cierre del valle (de las varias alternativas seleccionadas en principio), se procede a seleccionar el tipo de presa en el denominado «estudio de soluciones donde se analizan detalladamente los posibles tipos de presas desde múltiples puntos de vista, destacando el geológico. Los factores a tener en el análisis geológico son: • Altura prevista de la presa. • Geomorfología de la cerrada. • Disponibilidad de materiales de construcción. • Condiciones geológico-geotécnicas de la cimentación. • Ausencia de riesgos geológicos activos.

✓ Cerrada. Deformabilidad. resistencia y permeabilidad de las cimentaciones y estribos. ✓ Vaso. Estabilidad de las laderas, estanqueidad. acumulación de sedimentos y sismicidad inducida. ✓ Canteras y préstamos. Calidad y volumen disponible de materiales para ✓ la construcción. ✓ Aliviaderos. Estabilidad de los taludes, permeabilidad y resistencia de ✓ los macizos de cimentación de las estructuras en hormigón y erosionabilidad del terreno. ✓ Canales. Estabilidad de los taludes, erosionabilidad y ripabilidad de los ✓ materiales y cimentación de los rellenos. ✓ Central exterior. Estabilidad de los taludes, deformabilidad y resistencia ✓ de las cimentaciones. ✓ Central subterránea. Deformabilidad, resistencia, permeabilidad y estado tensional del macizo. ✓ Galerías de desvío, desagües de fondo y túneles. Estabilidad de la excavación, deformabilidad, permeabilidad y estado tensional de los macizos.

Riesgo de erosión interna Otro condicionante de la estabilidad y seguridad de las presas en relación con las condiciones geológicas es la erosión interna que se genera al crearse gradientes hidráulicos elevados en materiales erosionables. En estos casos hay que actuar bien disminuyendo los gradientes o bien incorporando en la estructura de la presa filtros y drenes adecuados a las condiciones hidráulicas. Reduciendo los gradientes disminuyen las fuerzas de filtración, pudiéndose controlar el fenómeno. La construcción de filtros y drenes bien dimensionados impide la salida de los tinos y los procesos de erosión interna.

MATERIALES GEOLÓGICOS PARA LA CONSTRUCCIÓN DE PRESAS La construcción de una presa precisa de un importante volumen de materiales. Las presas de materiales sueltos dependen fundamentalmente del tipo de material disponible.

Los materiales deben reunir los siguientes requisitos: - Volumen apropiado a la magnitud de la presa. - Calidad adecuada a los distintos fines. - Distancia operativa.

- Facilidad de extracción. -Condiciones medioambientales aceptables para su explotación.

ESTANQUEIDAD DE EMBALSES Una de las condiciones básicas que debe reunir un embalse es su estanqueidad. Sin embargo dependiendo del uso del mismo, las pérdidas de agua pueden ser más o menos tolerables. Los criterios generales para el análisis de la estanqueidad de un embalse se basan en factores hidrogeológicos, litológicos y estructurales; entre ellos se incluyen:

Las rocas duras y poco fracturadas (rocas ígneas. metamórficas, sedimentarias masivas, etc.), son en general favorables para la estanqueidad. Las rocas sedimentarias de alto contenido en arcilla (margas, lutitas. etc.) son muy favorables. Las rocas sedimentarias fracturadas, exceptuando las muy porosas, son igualmente favorables, ya que se supone que la transmisividad se efectúa a través de fracturas y éstas se cierran con la profundidad. Las estructuras geológicas, como los pliegues, pueden condicionar el flujo hacia el interior o exterior del embalse, por lo que deben analizarse detalladamente, así como su relación con las fallas y discontinuidades asociadas a dichos pliegues.

ESTABILIDAD DE LADERAS EN EMBALSES El llenado de un embalse supone los siguientes efectos:

Imposición de una carga en las laderas y fondo del valle equivalente a la altura de agua en cada punto del vaso. Elevación del nivel freático en las laderas del embalse.

Cambios en las condiciones hidrogeológicas de los materiales afectados. Oscilación de los niveles freáticos en las laderas del embalse según las condiciones de explotación del aprovechamiento. Como consecuencia de estos efectos se producen cambios tensionales, cuyas consecuencias pueden dar lugar a inestabilidades en las laderas del embalse.

PROBLEMAS GEOLÓGICOS Y POSIBLES SOLUCIONES En función del problema geológico presente en la cimentación y del tipo de presa y su finalidad, las soluciones pueden ser muy diferentes, describiéndose algunos de los problemas geológicos. Rocas Blandas Rocas de baja resistencia, con posible mecanismo de rotura a través de la matriz rocosa: en estos casos se puede requerir una excavación más profunda a fin de alcanzar un nivel más resistente: si no es asi, es necesario modificar la geometría de la presa, o bien cambiar el tipo de presa. Pérdida de resistencia por efecto de la saturación: gran parte de las rocas blandas pierden resistencia al saturarse (rocas cementadas, arcillosas. etc.). siendo necesario realizar ensayos sobre muestras saturadas. Desecación en rocas de alto contenido en arcillas (argilitas. margas, etc.). y agrietamiento en excavaciones, lo que hace necesario el hormigonado inmediato. Baja durabilidad en materiales arcillosos. Expansividad en rocas con contenidos en esmectita. Requiriendo protección superficial

Rocas Duras La presencia de discontinuidades o capas blandas de gran longitud, horizontales o de bajo ángulo buzando aguas abajo, representa «a priori» un problema geológico de importancia muy común en rocas duras. Si estas discontinuidades están a poca profundidad la solución es la excavación completa, aunque ésta puede ser también parcial. Otras soluciones consisten en macizar tramos de la discontinuidad a través de galerías, pantallas. etc., pudiendo complementar estas medidas con drenajes, inyecciones y a veces, con anclajes. Fallas Y Zonas de Trituración Tectónica En el caso de fallas y zonas de trituración tectónica o de intensa facturación, los tratamientos varían en función de cada problema. En general, estas discontinuidades suelen tener escaso espesor, y el tratamiento más común es la excavación de la zona más superficial, reemplazando el material saneado por hormigón, o bien realizar inyecciones desde superficies o galerías.

Las zonas de facturación intensa están asociadas a permeabilidades alias y compresibilidades elevadas, con baja resistencia al corte, requiriéndose tratamientos de consolidación y. en ocasiones, anclajes. Cavidades Las cuevas, cavidades o huecos, en general, se tratan con inyecciones. Sin embargo el principal problema es su detección, lo que supone una incertidumbre en los tratamientos, que si son muy extensivos (como ocurre en los terrenos kársticos) pueden resultar muy costosos.