Descubre la importancia que tiene la modelación numérica durante los procesos constructivos en presas, de la mano de la Ing. Victoria Muñoz
Autora: Ing. Victoria Muñoz – Rocher Ingeniería
Editora: Lucero Rivas, Ingeniera de soporte técnico para el área de geotecnia
Tiempo aproximado de lectura: 20 min
________________________________________
Introducción
La modelación numérica es de suma importancia debido a que durante la construcción de una presa se pueden presentar variantes en la geología, geotecnia e hidráulica del sitio conforme a lo definido en el proyecto ejecutivo, lo cual, requiere de su atención y solución en el menor tiempo con la finalidad de evitar retrasos y un alza en el costo de la obra, siendo así, en la mayoría de los casos se realizan campañas de estudios complementarios, los cuales incluyen la elaboración de modelos numéricos que ayuden a establecer soluciones y garanticen la seguridad del proyecto, esto último nos direcciona a contar con un software que permita modelar dichas variantes interactuando con las diversas estructuras que conforman el proyecto ejecutivo de la presa.
Las presas son estructuras de alta importancia ya que se utilizan generalmente para la industria agrícola y eléctrica, también para abastecer de agua potable a poblaciones y en algunos casos se usan como estructuras de retención que eviten inundaciones.
El presente documento expresa el caso particular de un talud que forma parte de los túneles de desvío de una presa con una superficie de falla, en el modelo numérico se emplean diferentes elementos, estructuras y rellenos con la finalidad de obtener desplazamientos, esfuerzos y factores de seguridad.
l. Antecedentes
Como parte del control de la estabilidad de los taludes que conforman la presa, en particular los que forman parte del túnel 2, se colocaron extensómetros para medir el desplazamiento presentado por dichos taludes, las lecturas registradas al 10 de mayo del año 2021 presentan una inestabilidad en los mismos, por lo cual, se desarrollaron estudios geológicos y geotécnicos para realizar un modelo numérico y así presentar la solución constructiva que mitigue los desplazamientos.
Figura 1.Monitoreo de desplazamiento presentado por la contratista
El talud frontal del túnel 2 se conforma por dos litologías Tpo con intercalaciones de lutita de espesores considerables y variables que se encuentran así debido a procesos de cabalgadura, quedando expuestos como escamas indicadoras del proceso tectónico que ocurrió en el momento de su formación geológica.
Figura 2.Sitio de estudio antes de la construcción de los túneles
Figura 3. Contacto litológico pórfido-lutita, túnel de desvío 2
Figura 4. Zona donde se presenta el deslizamiento
II. Solución dictaminada en campo
Como medida preventiva para mitigar los desplazamientos presentados por el talud, se colocó un monolito en diferentes bloques, el cual, se cimento mediante anclas en L de 1 ½” de diámetro con una longitud de 6.0 m, barrenos de 3” en patrón de 3 x 3 m a tresbolillo, inyectadas con un mortero de f´c= 200 kg/cm2.
El monolito se colocó en bloques de 2.44 m de altura con un área de 20 x 16 m. Se instalaron marcos de acero en los túneles a cada metro con la finalidad de proporcionar mayor estabilidad.
Figura 5. Esquema de la propuesta del monolito
III. Modelo numérico para verificar la factibilidad de la propuesta
Con los resultados del modelo geológico, geotécnico y la topografía del sitio, se realizó el modelado numérico en 3D con la siguiente metodología.
a) Recabando la información topográfica de las curvas de nivel en formato CAD, se procedió a trasladarlas lo más cercano al origen, posteriormente se guardó en un archivo dxf y utilizando el comando “Terrain Geometry Maker” se importaron las curvas de nivel al software midas GTS NX.
Figura 6. Capa del terreno
b) Utilizamos el comando “box” para crear un cubo que debe quedar dentro de la capa del terreno, seguido por el comando “Solid divide”, para dividir el cubo con la topografía correspondiente.
Figura 7. Caja con topografía del terreno
c) Se importaron los elementos estructurales en 3D en formato “iges”, el monolitio está conformado por 10 niveles de 2.44 m cada uno, en la cimentación de esté se instalaron anclas con una inclinación de 30° y un diámetro de 3.81 cm, asimismo en el talud se colocaron 48 anclas del mismo diámetro.
Figura 8. Arreglo del Monolito.
d) Se realizaron los cortes, uniones y demás operaciones necesarias hasta obtener la geometría finalizada, posteriormente se utilizó el comando “Auto connect”, este comando asegura el contacto entre dos superficies.
Figura 9. Geometría 3D
e) Para corroborar la conexión de la geometría, se empleó el comando “Check Duplicate”, el cual permite visualizar dos superficies en contacto de color naranja, si notamos que dos sólidos comparten caras, pero no se activan en color naranja, quiere decir, que son caras independientes, esto puede generar un error en la conexión de la malla.
Figura 10. Caja con topografía del terreno
f) Se genera la malla del modelo a partir de los elementos más pequeños hasta los elementos de mayor tamaño, dependiendo la exactitud que se requiera en dicha zona. Para los marcos de acero se dio de alta la propiedad 1D con las dimensiones de estos, utilizando el comando “extract” se obtuvo la malla correspondiente.
Figura 11. Modelo 3D mallado
Figura 12. Modelo 3D Marcos de acero mallados
g) midas GTS NX permite asignar o cambiar las propiedades de los materiales utilizando el comando “Parameters”, de esta forma agrupamos y cambiamos el color de las mallas de acuerdo a cada material.
Figura 13. Modelo 3D mallado con sus propiedades
h) Asignamos las condiciones de frontera con el comando “Constrain” y la gravedad con “Self Weight”, utilizando “Constrution stage” se simula el proceso constructivo de la obra. Finalmente, se dio de alta el nivel del agua y el espectro de respuesta para utilizarlos en el análisis “Stress”, “Stress-Seepage-Slope” y “Response Spectrum”.
i) En el caso del análisis “stress”, notamos que los desplazamientos han bajado, ahora son del orden de 0.20 cm en el talud, cuando inicialmente era de aproximadamente 4 cm. Para visualizar los desplazamientos en un nodo en específico, se utiliza “probe” del apartado de resultados.
Figura 14. Desplazamiento total, análisis estático
En el mismo análisis se obtuvo un factor de seguridad por el método de reducción de resistencia (SRM) de 3.89, siendo un valor aceptable. Asimismo, se observa que la superficie de falla se encuentra por encima del talud, por lo tanto, podemos concluir que la zona es estable.
Figura 15. Factor de seguridad estático
Cuando el talud se encuentra saturado, utilizamos el análisis semiacoplado “stress-seepage-slope”, este análisis permite ver la interacción de los esfuerzos con un nivel de agua determinado. En este caso, los desplazamientos son ligeramente mayores en comparación con el análisis anterior, aproximadamente 2 cm.
Figura 16. Desplazamiento total, análisis estático con nivel de agua
El factor de seguridad se mantiene en 3.89, por lo tanto, la superficie de falla no afecta el talud.
Figura 17. Factor de seguridad acoplado
Por último, realizamos un análisis “Response Spectrum” para observar el comportamiento del talud en forma dinámica. Los desplazamientos en la zona de interés no sobrepasan los 2 cm.
Figura 18. Desplazamiento total, análisis dinámico espectro de respuesta
IV. Conclusión
A partir de los análisis realizados podemos concluir que se genera una buena estabilidad con la implementación de los elementos estructurales que ayudan a que el talud no se desplace, además, permiten una mejor maniobra a los equipos de maquinaria, al pasar sobre el relleno.
Figura 19. Hasta el momento la estructura se encuentra estable
El software midas GTS NX es la herramienta ideal para este tipo de proyectos, debido a su compatibilidad con archivos CAD, la posibilidad de realizar análisis estáticos, hidráulicos y dinámicos, además de la facilidad para ingresar los diferentes escenarios que puedan ocurrir en la obra, permitiendo evaluar desplazamientos, esfuerzos, presión de poro y más resultados de interés.
Te invitamos a conocer todo nuestro equipo de ingenieros
