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Publicación basada en el artículo “Análisis de filtración y estabilidad de una ataguía y su influencia en la excavación en el cauce de un rio para la construcción de una presa” por el M. en I. Pedro Gerardo Hernández Juárez
Technoproject S.A. de C.V.
La cimentación de una presa requiere excavar depósitos aluviales hasta un nivel el desplante, adicionalmente, la construcción de la presa debe considerar la ejecución de obras de desvío como lo son las ataguías y sus diferentes estructuras complementarias.
Se muestra la problemática que puede presentarse durante la construcción de una ataguía de materiales graduados, la cual forma parte de las obras de encauzamiento de un proyecto hidroeléctrico. El control de filtraciones en el cuerpo de la ataguía está dado por una zonificación de materiales y para control del flujo por debajo de dicha ataguía se encuentra un muro de concreto plástico. Hacia aguas abajo de la estructura se localiza una excavación en el cauce del río que servirá para ejecutar el desplante de la presa. En esta publicación se realizan distintos análisis de estabilidad considerando la influencia del agua, el diseño de la zonificación y la influencia de la barrera impermeable, además de considerar medias de control de filtraciones para mejorar las condiciones de estabilidad.
INTRODUCCIÓN
La construcción de una presa requiere realizar actividades previas, por ejemplo, el desvío del río mediante la construcción de estructuras de retención que permitan realizar dicha tarea. Esta estructura tiene una longitud de 600 m, altura de 17 m y el ancho de corona es de 8 m. El talud aguas arriba es 2:1 a partir de la base y a los 10 m de altura la pendiente se modifica 1.38:1.
La figura 1 muestra la sección máxima de la ataguía y su zonificación, la figura 2 muestra parte del proceso constructivo y la ataguía construida.
Figura 1. Sección máxima de la ataguía.
Figura 2. Proceso constructivo y ataguía construida.
GEOLOGÍA
Los depósitos del cauce tienen una importante heterogeneidad de los materiales y están conformados por limos, arenas y gravas en una distribución muy irregular, dichos depósitos se encuentran en dos formaciones litológicas distintas (calizas y lutitas). Debido a la configuración estratigráfica ha sido necesario evaluar el gasto de filtración y la estabilidad de la excavación para el nivel de cimentación de la presa.
Figura 3. Sección geológica por el eje de la presa.
ZONIFIACIÓN DE MATERIALES
A continuación, se muestran los materiales que forman parte del cuerpo de la ataguía y sus especificaciones de colocación.
DISEÑO DE FILTROS
En las estructuras térreas los filtros se utilizan para controlar de manera eficiente el movimiento del agua dentro y fuera de la estructura, para cumplir con este objetivo los filtros deben:
- Retener el material protegido
- Permitir la relativa circulación libre del agua (tener una permeabilidad mayor que el suelo protegido)
- Tener suficiente capacidad de descarga
Siguiendo las recomendaciones del análisis de estabilidad interna de materiales propuesta por Sherard en 1985, se recomienda lo establecido a continuación.
4.1 Revisión entre filtro y núcleo
La verificación se realizó con el criterio para un suelo tipo 1, obteniendo que se cumple el criterio con los siguientes resultados acordes a las granulometrías de cada tipo de material. D15(filtro) = 0.30 mm y D85 (núcleo) = 0.35 mm
4.2 Material 3B y filtro
La verificación se realizó con el criterio para un suelo tipo 3, tomando como base la tabla 2, se cumple con el criterio. D15(Material 3B) = 1 mm y D85 (filtro) = 20 mm
PARÁMETROS GEOTÉCNICOS
Se consideraron los resultados obtenidos de diferentes campañas de exploración con la finalidad de conocer las propiedades mecánicas e hidráulicas de los materiales que conformarán tanto el cuerpo de la ataguía como la cimentación. En la tabla 3 se presentan los parámetros geotécnicos utilizados en los análisis de estabilidad y flujo de agua.
Los valores de permeabilidad asumidos para los materiales de cimentación de la estructura fueron obtenidos inicialmente con ensayos de permeabilidad del tipo Lefranc, posteriormente se realizaron ensayes de bombeo con la finalidad de obtener valores de permeabilidad más representativos, en la Figura 4 se presenta el gráfico de dispersión de permeabilidades, comparando los ensayes del tipo Lefranc y los ensayes de bombeo.
Figura 4. Dispersión de permeabilidades entre ensayes de permeabilidad del tipo Lefranc y ensayos de bombeo.
RESULTADOS
Se realizaron análisis de estabilidad y de flujo de agua para determinar las filtraciones que pudieran presentarse en el recinto, a continuación, se describen los criterios de diseño utilizados.
6.1 Análisis de estabilidad
El método de equilibrio límite establece que la superficie de rotura debe ser cinemáticamente posible, la distribución de fuerzas a partir de las cuales se calcula el factor de seguridad utiliza el peso específico, geometría, cohesión y fricción. Este método considera que la masa deslizante está dividida en dovelas o segmentos verticales y discretiza las fuerzas actuantes en cada dovela.
Se evaluó la estabilidad de la sección más desfavorable de la ataguía durante la etapa constructiva, la etapa de servicio y la etapa extrema, obteniendo los siguientes resultados:
- Etapa constructiva: Se revisó la estabilidad de la geometría final del cuerpo de la ataguía y de la excavación para el nivel de fundación de la presa, el factor de seguridad requerido es FS>1.5
- Etapa de servicio: Se revisó la condición de la ataguía con el embalse lleno, el factor requerido es FS>1.3
- Etapa extrema: Se consideró la influencia del sismo en condición pseudoestática cs=0.138g y cs=0.08g (horizontal y vertical respectivamente), el factor de seguridad requerido es FS>1.1
6.2 Análisis de flujo de agua
Se realizó el análisis de flujo de agua para verificar el comportamiento una vez realizado el desvío del río y la eficiencia de la pantalla plástica por debajo de la ataguía, para estos análisis se utilizó el método de elemento finito (MEF) mediante la simulación de modelos 2D y 3D.
Se revisaron dos condiciones, en la primera, se consideró una pantalla plástica a 65 m de profundidad sin empotramiento a roca y control de flujo mediante pozos de bombeo, el factor de seguridad obtenido en la condición extrema fue de FS=1.2 y con un caudal de bombeo del orden de Q=20 l/s/m.
La segunda condición consideró el empotramiento de la pantalla plástica a roca.
Figura 5. Resultados de estabilidad y flujo con un FS = 1.2 y un caudal de bombeo de Q=20 l/s/m
Finalmente se realizaron modelizaciones tridimensionales para identificar el comportamiento de los caudales de filtración realizando el empotramiento de la pantalla plástica a roca y la comparativa de dejar la pantalla sin empotramiento.
Figura 6. Comportamiento de la carga hidráulica con y sin empotramiento a roca.
Figura 7. Comportamiento de las líneas de flujo sin empotramiento y sin pozos de bombeo.
Figura 8. Comportamiento de las líneas de flujo con la pantalla plástica empotrada a roca y con pozos de bombeo para el control de filtraciones.
Realizar el empotramiento del muro plástico a roca juega un papel importante para el control de filtraciones que pudieran presentarse en el recinto lo cual genera condiciones de excavación más seguras. A continuación, se muestra el modelo 3D completo y la carga total en ambos casos de análisis.
Figura 9. Modelo 3D completo.
Figura 10. Comportamiento de la carga total con la pantalla plástica con y sin empotramiento.
CONCLUSIONES
El diseño de los filtros es una parte importante para evitar problemas de erosión interna de los materiales que conforman el cuerpo de la ataguía.
La heterogeneidad en los materiales que forman parte del río juega un papel importante en el análisis de filtración, ya que los valores de permeabilidad obtenidos mediante ensayes tipo Lefranc regularmente tienen limitaciones para determinar la permeabilidad real de hecho, muestran una variación del orden de 10 a 20 veces respecto a lo obtenido en los ensayes de bombeo.
El realizar un empotramiento de la pantalla plástica a roca mejora notablemente las condiciones de filtración, lográndose controlar de mejor manera y con valores de caudal mucho más manejables que los caudales de filtración que se generarían en caso de no realizar el empotramiento.
REFERENCIAS
Casagrande, A. 1961 “Control of seepage through foundations and abuntments of dams” 1rst Rankine Lectura, Geotechnique 11,3, P 161-181
Cruz, P.T., Materón B. Freitas, M., (2009), “Concrete face rockfill dams” 448p.
ICOLD (2015), “Erosion, Processes and Engineering Assessment”, Bulletin 164 Volume 1.
Riemer, W 2017 “Design and performance of drainage system for long term stability” 4th International Conference on Long-Term Behaviour and Enviromentally Friendly Rehabilitation Technologies of Dams, Theran-Iran
Sherard J. y Dunningan L. (1985), “Filters and Leakage Control in Embankment Dams” Proceedings, Smposium on seepage and leakage from dams and Impoundments, R.L. Volpe and W.E Kelly, ASCE 1985, pp 1-30.
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