Presas de Tierra y Enrocamiento

RAUL J. MARSAL y DANIEL RESENDIZ NUEZ

COLABORARON DE: Jess Alberro

Gabriel Auvinet Aurelio Benassini

Vicente Casales Sergio W. Covarrubias

Fernando Hiriart Enrique Mendoza Edmundo Moreno Wolfang Pohlenz

s Ramrez de Arellano Miguel P. Romo

[MEXICALI

ALTILLO

'ICTQRU

$N(LUIS POTOSI

A p u e b l a *

CHILPANCJN

KILOMETROS

Fig 2.19

4 kg/cm

Fig 15 .4b Esfuerzos longitudinales en la cresta

Modul ode Young, E. en

kg/cm

Relacinde

Poisson.

Pesounitario,

1000 1900

Elev 543

Laderaizquierda

Laderaderecha

Zona de tension

Esfuerzos principa les,en kg/cm4 La tension es positiva

Fig 15.4a Esfuerzo;original

principales. Seccin longitudinal con perfil le las laderas

Com

pres

in

Ten

si

n

Fig 15.5b Esfuerzos longitudinales en la cresta. Seccio'n con perfil modificado I

Mdulo de Young, Een

kg/cm

Relacinde

Poisson,

Pesounitario,

r>e"kg/m

1000 1900

Elev 543

Ladera _ izquierda

Laderaderecha

Zona de tensin

Esfuerzos principales en kg/cm1 La tensin es positiva

Fig 15.5a Esfuerzos principales. Seccin longitudinal con perfil modificado I

kg/fcm 5432i01 2345

Com

pres

in

Ten

sio

n

Mo'dulodeYoung,E.enkg/cm

Relacinde

Poisson,V

Pesounitario,

/ .enkg/m

1 00 0 0 .3 0 1 9 0 0

Elev 543 2_____

Laderaizquierda

La d e raderecha

Fig 15.6a Esfuerzos principales. Seccin longitudinal con perfil m odificadoII

s en la cresta. Seccin con perfil modificado I I

Zona de tension

oEsfuerzos principales,en kg/cm La tension es positiva

20 m

- 4 kg/cm

- 3

- 2

SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACION DE SUELOS C S U C S )INCLUYENDO IDENTIFICACION Y DESCRIPCION

PRINCIPALES TIPOS

S!NO-Z

c/5 a < co 2W c O jsS * 8.< s sy s ~

oS -S "w S 1 co c0 -5 - nJ-S c

8 3 5 . 2 :s e >. A CU e* 3.a* a

g

1

F2 co 6 gC 3 e S

3So0*3 s o

X.S 6 1 2 2 6

GW

GP

GM

GC

SW

SP

SM

SC

ML

CL

OL

MH

CH

OH

Pt

NOMBRES TIPICOS

Gravas bien graduadas, mezclas de grava y arena, con pocos finos o ninguno

Gravas mal graduadas, mezclas de grava y arena, con pocos finos o ninguno

Gravas limosas, mezclas de grava, arena y limo

Gravas arcillosas, mezclas de grava, arena y arcilla

Arenas bien graduadas, arenas con grava, con pocos finos o ninguno

Arenas mal graduadas, arenas con grava, con pocos finos o ninguno

Arenas limosas, mezclas de arena y limo

Arenas arcillosas, mezclas de arena y arcilla

Limos inorgnicos, polvo de roca, limos arenosos o arcillosos ligeramente plsticos

Arcillas inorgnicas de baja o media plasticidad, arcillas con grava, arcilla*

arenosas, arcillas limosas, arcillas pobres

Limos orgnicos y arcillas limosas orgnicas de baja plasticidad

Limos inorgnicos, limos micceos o diatomccos, limos clsticos

Arcillas inorgnicas de alta plasticidad, arcillas francas

Arcillas orgnicas de inedia o alta plasticidad, limos orgnicos de

plasticidad media

Turba y otros suelos altamente orgnicos

INFORMACION NECESARIA PARA LA DESCRIPCION DE LOS SUELOS

Dse el nombre tpico, indquense los porcentajes aproximados de grava y arena, tamao mximo, angulosidad, caractersticas de la superficie y dureza de las partculas gruesas, nombre local y geolgico, cualquier otra informacin descriptiva pertinente y el smbolo entre parntesis.

Para los suelos inalterados, agrguese informacin sobre estratificacin, compacidad, cementacin. condiciones de humedad v caractersticas de drenaje.

EJEMPLO:

Arena limosa con grava, con 20 % de grava de partculas duras, angulosas y de 1.5 cm de tamao mximo; arena gruesa a fina de partculas redondeadas a subangulosas: alrededor de 15 % de finos no plsticos de baja resistencia en estado seco; compacta y hmeda en el lugar, arena aluvial (SM).

Dse el nombre tpico, indquense el grado y carcter de la plasticidad; cantidad y tama* fio mximo de las partculas gruesas; color del suelo hmedo; olor; nombre local y geolgico; cualquier otra informacin descriptiva pertinente y el smbolo entre prente-

Para los suelos inalterados, agregese informacin sobre la estructura, estratificacin, consistencia tanto en estado inalterado como remol- deado, condiciones de humedad y drenaje.

EJEMPLO:

Limo arcilloso, caf, ligeramente plstico, porcentaje reducido de arena fina; numerosos agujeros verticales de races; firme y seco en el lugar, loess (ML).

CRITERIO DE CLASIFICACION EN F.L LABORATORIO

.5

. . j

Contenido

Prlogo

A. FUNDAMENTOS

Captulo 1. Experiencias en construccin y operacin de presas^ Fernando Hiriart B. y Ral J. Mar sal

Introduccin. 1.1 Bordo libre. 1.1.1 Hidrologa. 1.1.2 Sismicidad. 1.1.3 Derrumbes y viento. 1.1.4 Anotaciones.1.2 Avenidas durante la construccin. 1.2.1 Desviacin del ro. 1.2.2 Proteccin de enrocamientos. 1.2.3 Taponamiento de tneles. 1.2.4 Paso de avenidas por las tomas. 1.2.5 Cierre de presas. 1.2.6 Obstculos y azolvamiento en tneles. 1.3 Tratamiento de las cimentacio-

13

nes. 1.3.1 Presa Benito Jurez. 1.3.2 Presa El Bosque. 1.3.3 Aluviones en el cauce. 1.4 Estabilidad de e^alu- des. 1.4.1 Obra de toma de El Infiernillo. 1.4.2 Derrumbe en El Bosque. 1.4.3 Deslizamiento en la margen derecha de Sta. Rosa. 1.5 Funcionamiento de vertedores. 1.5.1 Presa El Infiernillo. 1.5.2 Presa Netzahualcyotl (Malpaso). 1.6 Comentarios.

Captulo 2. Tipos de cortina.................................Aurelio Benassini y Ral J. Marsal

Introduccin. 2.1 Nota histrica. 2.2 Definicin de trminos. 2.3 Clasificacin de las cortinas. 2.3.1 Presas de relleno hidrulico. 2.3.2 Presas de materiales compactados. 2.3.3 Presa homognea. 2.3.4 Presa homognea con

35

filtros. 2.3.5 Presa de materiales graduados. 2.3.6 Presas de enrocamiento. 2.3.7 Presas con delantal o con pantalla. 2.3.8 Comentarios. 2.4 Presas construidas en Mxico. ^

Captulo 3. Estudios geotcnicos en el sitio y el vaso Ral /. Marsal

Introduccin. 3.1 Topografa. 3.1.1 Embalse o vaso. 3.12 Sitio o boquilla. 3.2 Geologa. 3.2.1 Exploraciones. 3.2.2 Pruebas de absorcin de agua. 3.2.3 Mapa geolgico del sitio. 3.2.4 Mapa geolgico del vaso. 3.2.5 Mapa geolgico de la Repblica. 3.3 Materiales de construccin. 3.3.1 Suelos. 3.3.2 E n rocam ien tos . 3.3.3 Agua.

3.4 C im en tac in y ta ludes naturales. 3.4.1 Estahi dad. 3.4.2 Compresibilidad. 3.4.3 Permeabilidad. 3.5 A; , dice. 3.5.1 Presa El Azcar, Tams. 3.5.2 Presa El ^villo, Son. 3.5.3 Presa Requena, Mx. 3.5.4 Presa n Angostura, Chis. 3.5.5 Dique San Cayetano, Gto.

Captulo 4. Criterios de diseoDaniel Resndiz N.

77

Introduccin: 4.1 Factores que afectan al proyecto 4.1.1 Funcin de la obra. 4.1.2 Materiales. 4.1.3 Caractersticas de la boquilla, cimentacin y vaso. 4.1.4 Clima y tiempo disponible para la construccin. 4.1.5 Condiciones geolgicas y sismolgicas. 4.1.6 Importancia de la obra. 4.2 Causas potenciales de falla. 4.3 Diseo contra desbordamiento. 4.4 Diseo contra flujo incontrolado. 4.4.1 Permeabilidad del vaso. 4.4.2 Tubificacin. 4.4.3 Agrietamiento de la cortina. 4.4.4 Capacidad de retencin y drenaje de los filtros. 4.4.5 Anlisis cuanti

tativo del agrietamiento. 4.4.6 Conductos enterrados 4.4.7 Condiciones de seguridad contra flujo incontr* lado. 4.5 Diseo contra deslizamientos. 4.5.1 Mtodos c anlisis. 4.5.2 Condiciones crticas en la estabilida< de una presa. 4.5.3 Anlisis de estabilidad con esfuerza totales y con esfuerzos efectivos. 4.5.4 Mecanismos falla. 4.6 Diseo contra erosin de taludes. 4 v* Na.t leza del problema. 4.6.2 Diseo de protecciones de em camiento. 4.6.3 Diseo de otros tipos de proteccin.

B. FLUJO DE AGUA

Captulo 5, Mtodos de anlisisDaniel Resndiz N.

IOS

7

.tifio

mroduccin. 5.1 Flujo de agua en suelos. 5.1.1 La lev de Darcv. 5.1.2 El coeficiente de permeabilidad. 5.1.3 Ecuacin de Laplace. 5.1.4 Condiciones de frontera. 5.2 Flujo bidimensional. 5.2.1 Red de flujo. 5.2*2*Hbtijea superior de flujo en presas homogneas. 52.3 Flujo en cimentaciones estratificadas y en presas de seccin compuesta. 5.3 Flujo tridimensional. 5.3.1 Flujo a travs de una pre

sa en un can estrecho de seccin irregular. 5.3.2 Flujo a travs de la zona alterada de los empotramientos de una pantalla permeable. 5.4 Fuerzas de filtracin. 5.5 Presiones de poro e isobricas. 5.6 Flujo transitorio en presas. 5.6.1 Presiones de poro inducidas por la cons truccin. 5.6.2 Fuerzas y presiones de poro por vaciado rpido.

Captulo 6. Tcnicas de Monte CarioGabriel Auvinet G.

123

Introduccin. 6.1 Fundamentos. 6.2 Aplicacin. 6.2.1 Fronteras impermeables. 6.2.2. Medios anistropos. 6.2.3 Medios heterogneos. 6.2.4 Desajuste entre la malla y las fronteras. 6.2.5 Mdulo de la malla. 6.2.6 Lneas superiores de flujo. 6.2.7 Flujo tridimensional. 6.3 Generacin

Captulo 7. Tratamiento de cimentaciones rocosasRal J. Mar sal

Introduccin. 7.1 Aspectos generales. 7.2 Localizacin del eje. 7.3 Limpia superficial. 7.4 Excavaciones de regulari- zacin. 7.4.1 Divergencia de laderas. 7.4.2 Correccin del perfil transversal. 7.4.3 Escalones y depresiones. 7.5 Tratamiento de grietas. 7.6 Inyecciones. 7.6.1 Tipos de trata-

de los paseos casuales. 6.4 Precisin de los resultados. 6.4.1 Duracin de una trayectoria aleatoria. 6.4.2 Evaluacin de errores. 6.4.3 Reduccin de la variancia. 6.4.4 Aplicacin numrica. 6.5 Conclusin.

133

miento. 7.6.2 Medios inyectables. 7.6.3 Mezclas o lechadas. 7.6.4 Fundamentos tericos. 7.6.5 Presiones de inyeccin. 7.6.6 Normas generales. 7.6.7 Tapetes y pantallas. 7.7 Drenaje.

Captulo 8. Efectividad de pantallas en cimentaciones y empotramientos trreosRal J. Marsal y Daniel Resndiz M.

147

Introduccin. 8.1 Criterios de diseo. 8.1.1 Definicio- Nqes.de efectividad. 8.1.2 I n v e s t i g a c i o n e s de campo. 8.T3 Investigaciones de laboratorio. Propiedades ndice. 8.1.4 Investigaciones de gabinete. 8.1.5 Evaluacin del problema. 8.1.6 Tipos de pantalla. 8.1.7 Seleccin de alternativas. 8.1.8 Observacin del comportamiento. 8.2 Descripcin de casos. 8.2.1 Presa Abelardo L. Rodrguez, Son. 8.2.2 Presa El Bosque, Mich. 8.2.3 Presa Las

Trtolas, Dgo. 8.2.4 Presa Jos Ma. Morelos (La Villi- ta), Gro. 8.2.5 Presas con trinchera de material compactado. 8.3 Conclusiones y recomendaciones. 8.3.1 Definicin de efectividad hidrulica. 8.3.2 Medicin de la efectividad En. 8.3.3 Interpretacin de observaciones piezomtricas. 8.3.4 Estimacin de la efectividad Eq. 8.3.5 Tubificacin. 8.3.6 Comportamiento de las pantallas.

C. SUELOS, ENROCAMIENTOS Y ROCAS

Captulo 9. Propiedades de los suelos finos compactadosDaniel Resndiz N.

191

Troduccin. 9.1 P r o c e d i m i e n t o s de compactacin. \1.1 Compactacin de campo. 9.1.2 Compactacin de aboratorio. 9.2 Mecanismo de compactacin. 9.2.1 Na- uraleza de los suelos arcillosos. 9.2.2 Efectos del conte- ido de agua. 9.2.3 Efectos de la energa de compactacin. .2.4 Efectos del mtodo de compactacin. 9.2.5 Efectos e la fraccin gruesa. 9.2.6 Efectos del procedimiento de reparacin del suelo. 9.3 P r o p i e d a d e s mecnicas. 3.1 Permeabilidad. 9.3.2 Compresibilidad y expansivi-

dad. 9.3.3. Resistencia al corte y relaciones esfuerzo- deformacin. 9.3.4 R e s i s t e n c i a a la erosin interna. 9.4 Compactacin de laboratorio. 9.4.1 Compactacin con rodillo pata-de-cabra vs compactacin de laboratorio. 9.4.2 Compactacin con rod illo neumtico vs compactacin de laboratorio. 9.5 Especificaciones de compactacin. 9.6 Control de la compactacin. 9.6.1 Variables de control. 9.6.2 Mtodo de H ilf. 9.6.3 Localizacin del muestreo de control y manejo de resultados. Apndice.

Captulo 10. Resistencia y compresibilidad de enrocamientos y gravas. Ral J. Marsal

221

Introduccin. 10.1 Materiales. 10.1.1 ndices de solidez de los granos. 10.1.2 Granulometra. 10.1.3 Rotura de ranos. 10.2 Resistencia al corte. 10.2.1 Compresin tri- xial. 10.2.2 Extensin triaxial. 10.2.3 Deformacin plana. 0.2.4 Correlacin de r e s i s t e n c i a s . 10.3 Compresibili- Tid. 10.4 E f e c t o s de escala. 10.4.1 Dimensin de la

probeta. 10.4.2 Composicin granulomtrica. 10.5 Comentarios y recomendaciones. 10.5.1 Seleccin de materiales. 10.5.2 Pedraplenes de prueba. 10.5.3 Anlisis de estabilidad y de asentamientos. 10.5.4 Colocacin de materiales.

ptul 11. Propiedades mecnicas de las rocasJess Alberro A.

Introduccin. 11.1 Muestras de roca. 11.1.1 Estructura y propiedades ndice de las rocas. 11.1.2 Resistencia y deformabilidad. 11.1.3 Criterios de falla. 11.2 Masas rocosas. 11.2.1 Clasificacin y levantamiento de disconti-

269

nuidades. 11.2.2 Medicin de los esfuerzos internos. 11.2.3 Deformabilidad. 11.2.4 Pruebas de resistencia in situ. 11.2.5 Pruebas de permeabilidad. 11.3 Conclusin.

Captulo 12. Colocacin y control de materiales en la cortinaRal J. Marsal

301

Contenido 9

Introduccin. 12.1 Ncleo impermeable. 12.1.1 Explotacin y acarreo. 12.1.2 Preparacin del material. 12.1.3 Colocacin. 12.1.4 Pruebas de con t ro l . 12.2 Respaldos permeables. 12.2.1 Explotacin y acarreo. 12.2.2 Procesa

miento del material. 12.2.3 Colocacin. 12.2.4 Pruebas de control. 12.3 Filtros y transiciones. 12.3.1 Explotacin y acarreo. 12.3.2 Clasificacin del material. 12.3.3 Colocacin. 12.3.4 Pruebas de control.

D. ESFUERZOS Y DEFORMACIONES

Captulo 13. Aplicaciones del mtodo de elementos finitosJess Alherro A.

317

Introduccin. 13.1 Pr inc ip ios bsicos del mtodo. 13.2 Presa Requena. 13.2.1 Modelo elstico. 13.2.2 Modelo de e lem entos finitos. 13.3 Presa Jos Ma. Morelos. 13.3.1 Introduccin. 13.3.2 Caractersticas de la cortina e instrumentacin. 13.3.3 H is t o r ia de la construccin. 13.3.4 Anlisis por el m todo de e l em en tos finitos. 13.3.5 Resultados del anlisis v observaciones de

campo. 13.3.6 Estabilidad estructural de la pantalla de concreto. 13.3.7 Conclusiones. 13.4 Presa El Infiernillo. 13.4.1 Introduccin. 13.4.2 Caractersticas de los materiales de la cortina. 13.4.3 Anlisis por el mtodo de elementos finitos. 13.4.4 Resultados del anlisis y comparacin con las mediciones. 13.4.5 Conclusiones. 13.5 Comentario final.

Captulo 14. Relaciones entre factor de seguridad y deformacin de terraplenes............................339Daniel Resndiz N. y Miguel Romo O.

Introduccin. 14.1 Modelo matemtico. 14.1.1 Propiedades lizacin de los resultados. 14.3 Estimacin de deforma-de los suelos. 14.1.2 Otras var iabl es . 14.1.3 Repre- ciones. 14.4 Comparacin con mediciones. 14.5 Con-sentacin de elementos finitos y tcnica de anlisis. clusin.14.1.4 Fuentes de error. 14.2 Resultados. 14.2.1 Genera-

Captulo 15. Agrietamiento en presasSergio W. Covarrubias

349

Introduccin. 15.1 Estudios sobre agr ie tam ien to . 15.1.1 Evidencias de campo. 15.1.2 Estudios experimentales. 15.1.3 Estudios tericos. 15.2 Planteamiento del problema. 15.3 Causas de deformacin. 15.3.1 Peso propio del terrapln. 15.3.2 Llenado del embalse. 15.3.3 Cargas

Captulo 16. Estabilidad de las masas de roca .Jess Alberro A .

Introduccin. 16.1 Flujo de agua. 16.1.1 Modelo matemtico. 16.1.2 Aplicacin del modelo matemtico. 16.1.3 Conclusin. 16.2 Estabilidad de taludes. 16.2.1 Resistencia mxima y residual. 16.2.2 Volteo de bloques en taludes rocosos. 16.2.3 Deslizamiento por traslacin en terreno

ssmicas. 15.4 Anlisis de agrietamiento. 15.4.1 Seleccin de propiedades elsticas. 15.4.2 Hiptesis. 15.5 Aplicaciones prcticas. 15.5.1 Seccin longitudinal. 15.5.2 Seccin transversal.

359

estratificado. 16.2.4 Deslizamiento por traslacin de un bloque tridimensional, limitado por planos de debilidad. 16.2.5 Deslizamiento rotacional de un talud. 16.3 Excavaciones subterrneas. 16.4 Conclusiones.

E. ASPECTOS SISMICOS

Daniel Resndiz N., Emilio Rosenblueth D. y Enrique Mendoza O.

Captulo 17. Efectos ssmicos en presas y experiencia sobre comportamiento 387Introduccin. 17.1 E stad s t i ca de daos por sismo.17.2 Deslizamientos o distorsiones. 17.3 Agrietamiento longitudinal. 17.4 Agrietamiento transversal. 17.5 Causas de desbordamiento. 17.6 Rotura de conductos enterrados.17.7 Desplazamiento de fallas. 17.8 Derrumbes de lade-

Captulo 18. Anlisis d in m ic o ..........................................................................................................399Introduccin. 18.1 Un grado de libertad. 18.2 Varios grados de libertad. 18.3 Parmetros distribuidos. 18.4 Mtodos de anlisis. 18.4.1 Idealizacin de la cortina como cuerpo rgido. 18.4.2 Idealizacin de la cortina como cuerpo viscoelstico lineal: modelo de la viga de cortante.18.4.3 Idealizacin de la cortina como cuerpo viscoelstico lineal: mtodo de elementos finitos. 18.4.4 Comparacin de los mtodos de elementos finitos y de la

Captulo 19. Comportamiento dinmico de los s u e l o s ...................................................................421

ra. 17.9 Casos de buen comportamiento. 17.10 Evolucin del diseo ssmico. 17.11 O b je t i vos del diseo. 17.11.1 Principales variables que intervienen en el problema.

viga de cortante. 18.4.5 Anlisis en trminos de deformaciones: mtodo de Seed y Martin. 18.4.6 Anlisis de trminos de d e f o r m a c i o n e s : mtodo de Newmark. .18.5 Presin hidrodinmica. 18.6 In f lu en c ia de otros factores. 18.6.1 In t e ra cc in cortina-agua del embalse. 18.6.2 Interaccin cortina-cimentacin. 18.6.3 Variacin espacial de las ondas ssmicas. 18.6.4 Comportamiento inelstico.

Introduccin. 19.1 Mdulo de rigidez. 19.1.1 Suelos granulares. 19.1.2 Suelos cohesivos. 19.2 Amortiguamiento interno. 19.2.1 Definiciones. 19.2.2 Mecanismo y variables

del amortiguamiento interno. 19.3 Relaciones esfuerzo- deformacin. 19.4 Susceptibilidad a licuacin. 19.5 Resistencia bajo carga repetida.

Captulo 20. Modelos f s ic o s ................................................................................................................433

10 Contenido

Introduccin. 20.1 Requisitos de similitud. 20.2 Modelado 20.2.2 Suelos cohesivos. 20.3 Simulacin de las perturba- de las propiedades. 20.2.1 Materiales granulares gruesos. ciones. 20.4 Instrumentacin.

Captulo 21. Caractersticas de los temblores intensos y s ism ic id ad .............................................443Introduccin. 21.1 Causas de los temblores. 21.2 Tem- laciones entre parmetros. 21.5 Sismicidad. 21.5.1 Sismi- blores intensos. 21.3 Espectros de respuestas. 21.4 Corre- sidad local. 21.5.2 Cartas de sismicidad.

Captulo 22. Diseo s sm ic o ............................................................................................................... 457Introduccin. 22.1 Diversos modos de falla. 22.2 Falla vs diseo. 22.6 Temblores de diseo. 22.7 El concepto de de conductos subterrneos. 22.3 Estabilidad de la cor- utilidad. 22.8 Funcin objetivo. 22.9 Costos y beneficios, tina. 22.4 Prdida de bordo libre. 22.5 Modos de falla 22.10 Otros detalles del diseo.

Captulo 23. Revisin del estado actual del conocimiento............................................................. 467Introduccin. 23.1 C o m p o r ta m ie n to d e prototipos. eos. 23.4 Sismicidad. 23.5 Estudio dinmico de presas.23.2 Comportamiento de materiales. 23.3 Modelos fsi- 23.6 Criterios de diseo.

F. OBSERVACIN DEL COMPORTAMIENTO

Captulo 24. Anlisis de asentamientos de la presa Presidente AlemnRal J. Marsal

475

Introduccin. 24.1 Material impermeable. 24.2 Pruebas de control. 24.3 Observaciones en deformme tros. 24.3.1 Estacin 3 + 660. 24.3.2 E s ta c i n 3 + 460. 24.3.3 E s ta c i n 3 + 150. 24.3.4 Estacin 1 + 985. 24.3.5 E s ta c i n 1 + 920.

24.3.6 Estacin 1 + 200. 24.3,7 Estacin 1+050. 24.3.8 Estacin 0+180. 24.3.9 C o m e n ta r io s . 24.4 Interpretacin terica. 24.5 Conclusiones. 24.6 Recomendaciones. 24.7 Comentario final.

Captulo 25. Ocho aos de observaciones en la presa El Infiernillo.Ral J. Marsal y Luis Ramrez de Arellano

495

Introduccin. 25.1 Descripcin del c o m p o r ta m ie n to .25.1.1 Caractersticas de la cortina. 25.1.2 Operacin del embalse. 25.1.3 Movimientos superficiales. 25.1.4 Desplazamientos horizontales vs niveles del embalse. 25.1.5 Deformaciones unitarias en la presa. 25.1.6 Distorsin de la cresta. 25.1.7 Mediciones piezomtricas. 25.1.8 Sismos en el sitio de la presa. 25.2 Interaccin ncleo-respaldos.

Captulo 26. Mediciones de campo en las ataguas de la presa La AngosturaLuis Ramrez de Arellano y Edmundo Moreno G.

25.2.1 Asentamientos. 25.2.2 Desplazamientos horizontales. 25.2.3 Instrumentacin reciente. 25.2.4 Diferente comportamiento de los respaldos. 25.2.5 Humedecimiento del enrocado. 25.2.6 Deflexin del ncleo. 25.2.7 Zona rgida. 25.2.8 Zona plstica. 25.2.9 Revisin de la estabilidad. 25.3 Comentarios.

511

Introduccin. 26.1 Obra de desvo. 26.2 Materiales, diseo y "construccin. 26.3 Control de filtraciones. 26.3.1 Variacin de los niveles del agua. 26.3.2 Eficiencia de los muros de concreto. 26.3.3 Permeabilidad de los depsitos de ro. 26.4 Anlisis de estabilidad. 26.5 Instrumen-

Captulo 27. Fallas por tubificacin . . . .

tacin. 26.6 Mediciones. 26.7 Comentarios. 26.7.1 Comparacin con el anlisis por el mtodo de elementos finitos. 26.7.2 Desplazamientos observados. 26.7.3 Asentamientos de la atagua 1. 26.7.4 Pantallas de concreto (m uro ICOS).

.................................. . . . . . . . 523Introduccin 27.A Dique Laguna. 27.1 Geologa regional.27.2 Descripcin del dique. 27.3 Medicin de filtraciones. 27.4 Rotura del empotramiento izquierdo. 27.5 Investigacin de la falla. 27.5.1 Estratigrafa y permeabilidad. 27.5.2 Movimientos del dique. 27.5.3 Pruebas de

laboratorio. 27.5.4 Anlisis de los datos de filtracin.27.6 Trabajos de reparacin. 27.7 Comportamiento reciente. 27.8 C o m e n ta r io s . 27.B Dique La Escondida. 27.9 Descripcin de la obra. 27.10 Dique izquierdo. 27.11 Falla. 27.12 Comentario.

A. Dique L a g u n a ..........................................................................................................523Ral J. Marsal y Wolfang Pohlenz

B. Dique La E s c o n d id a ...............................................................................................531Aurelio Benassini V. y Vicente Casales L.

Referencias 535

Parte A

Fundamentos

En esta primera parte del trabajo se exponen los estudios que deben realizarse en el sitio elegido para construir una presa y los criterios generales aplicables al diseo de cortinas construidas con tierra y materiales granulares, precedidos por la descripcin somera de una serie de experiencias relativas a la construccin y operacin de tales estructuras hidrulicas, as como un captulo sobre los tipos de cortina y una lista de obras importantes construidas en Mxico.

CAPITULO

Experiencias en construccin y operacin de presas

INTRODUCCIN

El proyecto y construccin de una obra hidrulica implican una serie de problemas derivados de la realizacin de la estructura principal, la cortina, que en ciertos casos puede ser de importancia vital para el desarrollo del programa de ejecucin, o bien, para la propia subsistencia del conjunto. Algunos de dichos problemas, no bien evaluados en la etapa de diseo, han sido motivo de retrasos importantes en la construccin; otros no previstos, como el deslizamiento masivo de laderas en el embalse, han puesto en peligro la presa; la carencia de un registro prolongado de escurrimientos en el ro y de lluvias en la cuenca, ha motivado obras de excedencias inadecuadas, causa algunas veces de la destruccin de la cortina, y en otras, ms afortunadas, la ampliacin posterior de las estructuras.

Considerando la importancia que para el ingeniero representa la experiencia acumulada en dicho campo, en este captulo figura una serie de observaciones, incidentes y problemas registrados en las obras hidrulicas que la Comisin Federal de Electricidad (CFE) ha construido durante los ltimos aos, y en otras de la Secretara de Recursos Hidrulicos (SRH ) con las que los autores han estado vinculados. Los casos elegidos se refieren a puntos esenciales para la presa: bordo libre, manejo de avenidas durante la construccin, tratamiento de cimentaciones, estabilidad de taludes y funcionamiento de vertedores. El objeto principal de esta presentacin es insistir sobre ciertos aspectos que no siempre pueden evaluarse en forma confiable.

El presente captulo es solo parte del trabajo Troblemas relativos al proyecto y construccin de presas , publicado por la Comisin Federal de Electricidad bajo el ttulo de Experiencias en proyectos hidroelctricos, 1969.

1.1 BORDO LIBRE

Hace dos dcadas, este tpico era ms bien un

problema incidental. Se discuta sobre la conveniencia de aceptar, por economa, un bordo libre de 2.5 o de 3 m, ya que la experiencia en construccin de presas de tierra en el pas era muy limitada. Poco a poco, la naturaleza se encarg de demostrar lo ineficaz de las predicciones sobre avenidas en los ros, particularmente porque el periodo de registro de escurrimientos, lluvias y ciclones, era extraordinariamente corto. En algunos casos se tena que proyectar sobre la base de cinco aos de observaciones. Aun cuando no es posible ser determinista sobre el rgimen de lluvias de una regin, el registro de la Estacin Tacubaya (fig 1.1), el ms amplio con que cuenta Mxico, muestra tendencias generales aplicables a la regin central del pas. Consecuentemente, las predicciones de escurrimientos y avenidas acusaron cambios significativos de criterio, a medida que se ampliaba el registro de lluvias.1.1.1 Hidrologa. Las primeras indicaciones sobre lo deficiente de la informacin, fueron las sorpresas en cuencas de tamao reducido (de 100 a 1 000 km2). La presa derivadora de Jicaln, Mich., de manipostera, 25 m de altura y compuertas radiales en su cresta, tena una capacidad vertedora originalmente estimada en 100 m3/seg. Cuando se termin la instalacin de las compuertas, ocurri una avenida mayor que la de diseo y hubo que modificar la estructura vertedora. El caudal especfico result mayor de1.5 m3/seg/km2.

Las cuencas intermedias, localizadas en las zonas ciclnicas de Mxico a lo largo de la costa del Pacfico, tambin han acusado un comportamiento no previsto. Dada la magnitud de las precipitaciones y la pendiente general del terreno, ocurren crecientes notables por el gasto, aunque el volumen puede ser relativamente modesto. La presa de gravedad vertedora La Venta, Gro., sobre el ro Papagayo, con planta hidroelctrica al pie, se haba diseado para descargar un caudal mxi-

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200 rr

300 ------------ ---------------------------------------------------- ----------------------------------------------------1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970

Fig 1.1 Variacin anual de la lluvia en la Estacin Tacubaya, Mxico, D. F.

mo de 12 000m3/seg. Durante la construccin, en dos oportunidades se presentaron avenidas del orden de 6 000 m3/seg, provocadas por perturbaciones ciclnicas en la regin. En 1967, estando en operacin la planta, se gener una creciente de 11 800 m3/seg que lleg al lmite de la capacidad prevista y provoc la inundacin de la casa de mquinas, porque el ataque del agua en las mrgenes del ro sobrelev el nivel, aguas abajo, a una cota superior que la considerada en el proyecto (fig 1.2). La revisin de la hidrologa del ro Papagayo, con base en la informacin reciente, demuestra que el vertedor debe proyectarse para un caudal, por lo menos, de 20 000 m3/seg.

La experiencia en las grandes cuencas del pas, aunque menos espectacular, ha sido igual que en las menores. En El Infiernillo, con vertedores de capacidad suficiente para desfogar una avenida de entrada que pareca exagerada (38 000 m3/seg), en septiembre de 1967 registr un caudal de 25 200m3/seg (fig 1.3). En este caso la presa tiene un bordo libre amplio, pero por razones que se describen ms adelante, hubo que operar la obra de excedencias en condiciones anormales. Debe considerarse que la mxima avenida del Balsas observada en el presente siglo y antes de 1967, era de 11 500m3/seg. Otra de las grandes presas de Mxico ( Lzaro Crdenas, Dgo.), terminada en 1947, con capacidad de3 000 millones de metros cbicos, haba almacenado hasta 1967 un volumen mximo de 2 000 mi

llones. En octubre de 1968, no solo se llen sino que descarg por el vertedor ms de 3 000 m3/seg, poniendo en peligro otra presa construida aguas abajo (Las Trtolas, Dgo.), cuya obra vertedora se haba proyectado con base en la informacin anterior.

Dichos casos muestran la urgente necesidad de disponer de datos ms completos de escurrimientos en los ros, precipitacin en diferentes regiones y trayectoria de los ciclones en Mxico. Esta es una accin a largo plazo. El proyecto de las obras que deban realizarse en un futuro inmediato requerir, por la deficiencia anotada, ser ms conservador en las estimaciones hidrolgicas respectivas. Si se trata de presas de tierra y enrocamiento, el ingeniero debe ser generoso al fijar el bordo libre, teniendo en cuenta no solo la magnitud del oleaje que puede generarse en el vaso, sino tambin las incertidumbres anotadas anteriormente.

1.1.2 Sismicidad. Uno de los efectos que provoca un sismo intenso y prolongado, es la prdida del bordo libre por deformacin de la masa o falla parcial de los taludes.

No se ha registrado ningn desastre en presas mexicanas atribuible a temblores de tierra. Daos menores se acusaron en el proyecto Unin-Calera, Gro., a raz del oleaje provocado por un sismo de magnitud 6.5 en la escala de Richter, con epi- foco a 40 km. La altura de la ola se estim en2.5 m y produjo arrastres del enrocamiento de

Experiencias en construccin y operacin de presas 15

v.-v

Caseta de la ' 1/> Residencia

b) Canal de descarga durante la avenida

a) Canal de descarga antes de la avenida

c) El vertedor funcionando durante la avenida d) Vista de la corona de la presa despus de la avenida

Fig 1.2 Presa La Venta, Gro., avenida de 11 800 m3/seg (sep 1967)

aguas arriba, en una longitud de 30 m; el agua no pas por encima de la corona, aun cuando el embalse estaba prcticamente lleno.

1.1.3 Derrumbes y viento. Aunque en Mxico no han ocurrido deslizamientos masivos de laderas en los vasos, que es otro de los efectos que deben tomarse en cuenta en el bordo libre, la experiencia en diversas partes del mundo ha motivado una fuerte preocupacin que se traduce en estudios fotogeolgicos y de mecnica de rocas en los sitios potencialmente peligrosos.

Sobre la accin del oleaje en las protecciones de presas, la experiencia ha sido buena; debe tomarse en consideracin que la mayora de las estructuras cuentan con enrocamiento pesado, pues salvo algunos casos particulares, tal material existe en cantidad y calidad adecuadas. Los

autores conocen solo los casos de las presas Abelardo L. Rodrguez, Falcn y Marte R. Gmez, en que fue necesario reponer el enrocamiento, erosionado por oleaje intenso y prolongado.

1.1.4 Anotaciones. La informacin expuesta de modo breve en prrafos anteriores, coincide con la publicada en otros pases de ms amplia experiencia en la construccin de obras hidrulicas, y confirma la necesidad de considerar con sumo cuidado los factores que concurren al decidir las dimensiones del bordo libre, teniendo en cuenta la incertidumbre en los clculos hidrolgicos, la magnitud de una perturbacin ssmica que potencialmente puede ocurrir en la regin, la presencia de masas inestables en el embalse y la posibilidad de generacin de un fuerte oleaje por viento. Ante la carencia de datos confiables en

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Fig i.3 Avenida excepcional en El In fiern illo (sep 1967)

25000

g 20000

15000

10000

SEPTIEMBRE00 CO E

10000

O v iT* CO 5

24 25 26 27 28 29 30 SEPTIEMBRE

OCTUBRE

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 OCTUBRE

estos aspectos del proyecto, prevalecer el criterio y experiencia personales sobre el uso de mtodos racionales; por tanto, la conclusin es que debe darse prioridad a dos actividades: a) la obtencin y procesamiento cada vez ms amplios de los datos bsicos (lluvia, escurrimientos, sismos, viento); b ) el desarrollo de procedimientos analticos o experimentales para cuantificar los efectos de tales acciones de la naturaleza en la presa.

1.2 AVENIDAS DURANTE LA CONSTRUCCIN

En Mxico ha sido frecuente que al construir una presa se presenten escurrimientos excepcionalmente grandes. Por supuesto, esta observacin est ligada a la extensin del registro previo de avenidas y a la duracin del periodo de construccin. Hasta hace pocos aos se adoptaba, para dimensionar las obras de desvo, la creciente mayor observada. En el presente se considera la avenida mxima probable con recurrencia de 25 aos.

Durante la construccin de las presas Alvaro Obregn, Son. (90 m),* Miguel Hidalgo, Sin. (74 m), Presidente Alemn, Oax. (76 m), Netza

hualcyotl, Chis. (137m), para no citar sino algunas de las ms importantes, se generaron crecientes en los ros que excedieron a la mxima registrada, siendo causa de daos y, principalmente, de demoras en el programa de ejecucin. Nuevamente, este es un problema relacionado con la evaluacin de escurrimientos en las cuencas. El criterio es el de un riesgo calculado, pues se admite con probabilidad baja, la ocurrencia de un dao acotado o admisible dentro del marco econmico del proyecto. No ocurre lo mismo al ponderar el impacto de las estimaciones hidrolgicas en el bordo libre, pues la falla de la presa por esta causa puede provocar un verdadero desastre aguas abajo, adems de perderse parte de la inversin y sus beneficios por cierto lapso.

1.2.1 Desviacin del ro. Salvo en los grandes ros como el Grijalva o el Balsas, la operacin de desviar la corriente para trabajar en el cauce ha sido de menor envergadura. Aun en las presas Netzahualcyotl y El Infiernillo, la desviacin de la corriente por tneles se hizo frente a caudales

* Las cifras entre parntesis son las alturas mximas de las cortinas enumeradas.


Ro Balsas

que no excedieron de 300 mVseg. En ambos casos se realiz tal operacin arrojando rocas de gran tamao (mayores de 1 ton), desde camiones (fig 1.4). De modo que nuestra experiencia al respecto es bastante limitada. En varios proyectos ha resultado ms complicado el manejo del agua entre los tneles, durante la construccin. Por dichas razones, la formacin de ataguas para confinar la zona de desplante de la cortina, no ha ofrecido dificultades mayores, excepto el tratamiento requerido para reducir las filtraciones de agua a travs de depsitos fluviales de espesor considerable. Con tal propsito, en las presas El Novillo, Son., El Infiernillo, Mich. y Sta. Rosa, Jal., se recurri al colado de pantallas de pilotes secantes (sistema ICOS), a profundidades del orden de 20 m. De este modo fue posible trabajar en el tratamiento de las cimentaciones respectivas con filtraciones menores de 10 lt/seg.

1.2.2 Proteccin de enrocamientos. Andrew Weiss (1951)* propuso en varias presas de la Secretara de Recursos Hidrulicos, una forma para proteger enrocamientos que se supona iban a ser rebasados por una avenida, durante el proceso constructivo. Dicha proteccin est formada por

* Vase referencia en la lista incluida al final del libro.

una malla de barras de acero de 1 plg de dimetro, anclada en la masa de roca mediante varillas de 3 m de longitud, previamente colocadas dentro de ella (fig 1.5). El caso ms notable de los tratados con este procedimiento, es el de la presa Marte R. Gmez (E l Azcar); durante la construccin pas una avenida de 3 000 m3/seg, aproximadamente, sin causar dao importante en el enrocamiento de la presa, parcialmente construida. En otros casos como las presas Lzaro Crdenas, Dgo., y vila Camacho, Pue., se recurri al revestimiento temporal con losas de concreto reforzado.

1.2.3 Taponamiento de tneles. Otro aspecto que puede ser crtico para el programa de ejecucin, es el cierre de los tneles de desvo con tapones de concreto. Por varias razones, el lapso disponible para su ejecucin es corto y cuando el dimetro de los tneles excede de 10 m, el colado de este elemento estructural se convierte en un trabajo mayor. No solo es importante el tiempo, sino que ajustndose a especificaciones normalmente aceptadas (longitud = 2 a 2.5 del dimetro), el volumen de los tapones resulta elevado y de costo no despreciable. Al considerar ambos conceptos, la CFE ha desarrollado el tapn hueco; la fig 1.6 ilustra el construido por primera vez en el tnel 3 de la presa Netzahual-

Fig 1.4 Desviacin del ro Balsas en El Infiernillo

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10.005.00--b-3.5o4"

CORTE LONGITUDINAL

Extensmetros-12.00--------I

CORTE A-A

el amplio espacio disponible. Estudios recientes en el Instituto de Ingeniera (Ferrer et al, 1972), con modelos planos fotoelsticos y tridimensionales de concreto, demuestran que la solucin ilustrada en la fig 1.6 no es la ms conveniente desde el punto de vista de distribucin de esfuerzos en la estructura y en la roca. La alternativa de un cuerpo limitado por dos superficies esfricas y espesor mnimo de concreto de aproximadamente 0.25 D, siendo D el dimetro del tnel, es la ms aceptable de las posibilidades estudiadas.

Una experiencia importante es la de los tapones auxiliares que se colaron en los tneles vertedores de El Infiernillo (fig 1.7). Por el fractura- miento de la roca y por el trabajo severo a que iban a estar sometidos los codos de estos tneles, se consider vulnerable el proyecto original de los tapones, sujetos a una carga hidrulica de 100 m. Se decidi colar otros auxiliares, aguas arriba, de longitud igual a 1 dimetro (15m ) y drenarlos por el lado de aguas abajo, mediante perforaciones que terminan en una galera; as, los tapones del codo quedaron sometidos a una carga de solo 20 m. Las razones para hacer los obturadores auxiliares de dimensiones reducidas no solo fueron econmicas, sino tambin de programa; se dej en ellos una galera de inyecciones para facilitar su ejecucin y ganar tiempo. El proyecto se bas en pruebas realizadas con modelos elsticos. Los aforos demuestran que el gasto de filtraciones por los tapones auxiliares de los tres tneles vertedores vara de 2 a 7 lt/seg, para cargas de agua comprendidas entre los 70 y 90 m.

1.2.4 Paso de avenidas por las tomas. El usovoluntario o accidental de obras de toma en el

Extensmetros

a) Antes de la creciente

40.50

3/4

F ig 1.5 Proteccin usada en las presas San Ildefonso y Cuarenta

cyotl, de 16 m de dimetro. Est compuesto de un casquete esfrico interior con superficie plana expuesta al agua, seguido por un anillo de concreto reforzado; en este caso, el volumen de concreto es de 7 000 m3 en lugar de 11 000 m3 para el tapn lleno de la misma longitud. En dicha presa el tapn fue sometido a carga una vez fraguado el casquete y el primer tramo del anillo, y se continu con la parte faltante de este y el inyectado, que no ofrece mayor dificultad por

Acotaciones, en m

13.50 -........ -Tubo de 2V2"0

------


Fig 1.7 Tapn auxiliar en los tneles vertedores de El Infiernillo

manejo de avenidas durante la construccin, ha sido motivo de observaciones interesantes. Como tesis general, no es aconsejable hacerlo en vista de que las condiciones de diseo hidrulico de estas estructuras son diferentes de las que ocurren durante el paso de corrientes a velocidad alta. El caso reciente de la presa Jos M. Morelos (La Vi- llita) es muy ilustrativo. Los dos tneles de la margen derecha se planearon para manejar el ro Balsas durante un estiaje, mientras se construan la presa y el vertedor de excedencias. Por razones de programa, se colaron las torres de toma y las pilas de apoyo de las compuertas de operacin y emergencia (fig 1.8). Atrasos en la ejecucin de la obra y la ocurrencia de la avenida extraordinaria cuyo hidrograma en El Infiernillo presenta la fig 1.3, obligaron a operar las compuertas del vertedor de esta ltima presa, para que el gasto no excediera de 6 000 m3/seg; este era el valor ms alto que podra manejarse en La Villita, dada la altura alcanzada por la cortina y las caractersticas de los tneles antes mencionados. El resultado al operar las tomas en esta forma fue la destruccin parcial de las pilas, daos en la estructura de las torres (columnas metlicas y rejas) y erosin menor del revestimiento de concreto en algunos tramos de los tneles. Las figs 1.9 y 1.10 ilustran el aspecto de las torres de toma

despus de la avenida y las pilas en proceso de reparacin. La magnitud de los daos no es espectacular, pero los cambios en el programa de construccin fueron sustanciales. En efecto, para reconstruir las pilas se requiri manejar el agua del ro (los gastos de estiaje fluctan entre 200 y 600m3/seg, durante el da) con agujas en las entradas de los tneles y ataguas formadas por gaviones, aguas abajo ; construir un tapn hueco temporal en el tnel 1; instalar nuevamente las partes fijas de las compuertas y montar estas; reconstruir las pilas y, por ltimo, colar los tapones definitivos, inmediatamente aguas arriba de las torres.

1.2.5 Cierre de presas. En ciertos casos, esta puede ser una operacin delicada. Hace dos dcadas se trataba de economizar disponiendo de simples agujas en la estructura de entrada del tnel elegido para obturar la presa. En varios proyectos se plantearon problemas por dificultades en su colocacin o excesiva filtracin por las juntas. Posteriormente, se mejoraron las previsiones con compuertas planas deslizantes en ranuras de acero estructural. Fallas de montaje de estos ltimos elementos al colar el concreto de la estructura soporte, han ocasionado trastornos serios durante el cierre de la presa. Por ejemplo,

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C O R T E P O R E L E J E D E L T U N E L 2

Fig 1.8 Obra de toma de la presa Jos M. Morelos (La Villita)

1 Unidades

Elev 65.00

Compuertas de emergencia

Tubo de ventilacin


a mediados de 1961, hubo que obturar el tnel de desvo de la presa Cupatitzio, Mich., de 3 m de dimetro, en condiciones un tanto crticas, pues las piezas fijas estaban defectuosas y el concreto erosionado por el agua; adems, dada la corta capacidad del embalse (50 X 106 m3) y la elevacin de la toma, la carga de agua en un plazo de tres das resultaba de 40 m. Se baj la compuerta y contra ella rpidamente se form un filtro invertido con grava y sacos de arena colocados en el asiento inferior, ms tierra movida con tractores hasta cubrir la mayor parte de la estructura de entrada. Para facilitar estos trabajos, el gasto en el ro que era de 15m3/seg se redujo a 5 m3/seg, almacenando el agua en el tanque de regulacin de la planta Zumpimito. En

Fig 1.9 Obra de toma de La Villita despus de lacreciente (sep 1967)

un lapso de horas, los materiales dispuestos a la entrada fueron arrastrados y el gasto de las filtraciones era mayor de 1 m3/seg; el agua flua por la parte inferior de la compuerta y se proyectaba 20 m en el interior del tnel. Con dificultad se inspeccion la compuerta, comprobndose que haba girado con respecto a las guas y dejaba una abertura de 3 cm en la base; las condiciones de apoyo del obturador eran crticas por los esfuerzos aplicados a los asientos y la estructura de concreto. Con chalanes en el vaso y la ayuda de buzos, se construy un cono de enrocamiento sobre la estructura de entrada (fig 1.11); a continuacin se form sobre el cono una capa de rezaga ; finalmente, esta se cubri con arena. As fus posible reducir la filtracin a lOOlt/seg y colar el tapn en el tnel. Dicho incidente, insignificante comparado con un problema semejante en la presa Gur, Venezuela, muestra el cuidado que demanda el proyecto y la ejecucin de las estructuras de cierre y sus mecanismos, teniendo muy presente que ellas estarn sujetas a efectos de erosin, cavitacin y vibracin desusuales.

Para el cierre de presas como las de Netzahua cyotl y El Infiernillo, se instalaron compuertas provistas de mecanismos hidrulicos y guas maquinadas. En ambos casos no hubo prcticamente filtraciones.

1.2.6 Obstculos y azolvamiento en tneles. Laspilas o guas de compuertas pueden ser en los tneles de desvo obstculos poco deseables. Debido a un retraso en el colado del revestimiento en el tnel de desviacin de la presa El Tunal, Dgo., no hubo tiempo de retirar una seccin del molde. Se ator un tronco de grandes dimensiones en ella, y una gran cantidad de ramas que arrastraba la corriente obstruy totalmente el tnel; como adems se dispona de un canal de desviacin, la obra, en la etapa crtica del tratamiento de la cimentacin a 20 m debajo del depsito aluvial, no sufri trastornos mayores.

Pequeos detalles como los que se ilustran a continuacin, ocasionan demoras significativas en el programa de construccin. Durante el colado del revestimiento de los tneles 1 y 2 de desvo en El Infiernillo, fue necesario cerrar con obturadores las entradas respectivas, mientras pasaban las avenidas del ro Balsas en la temporada de lluvias de 1961. Aun cuando los portales de salida de los mencionados tneles estaban bloqueados con tapones de tierra compactada, el agua sobrepas la elevacin de la corona e inund las obras. Al desaguar los tneles se encontr que estaban invadidos por una capa de 4 a 5 m de azolve limoarenoso; su extraccin implic un retraso de tres meses, dadas las dificultades que ofrece la excavacin de ese material en estado saturado y las limitaciones de espacio para operar el equipo. Algo semejante ocurri en el canal de

Fig 1.10 Vista de la pila en reparacin, tnel 1 de La Villita

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* /

Elev 1 367 ?


Fig 1.11 Operacin de sellado en la entrada del tnel de desvo de la presa Cupatitzio

desfogue de la planta hidroelctrica de La Venta, a raz de la inundacin mencionada en el inciso 1.1.1 (fig 1.12). En un recinto semicerrado con boca expuesta a la accin de una corriente tangencial, se genera una circulacin de baja velocidad que promueve la sedimentacin del agua fuertemente cargada con suelos finos en suspensin.

1.3 TRATAMIENTO DE LAS CIMENTACIONES

Las restricciones de tiempo y de presupuesto en materia de estudios, pueden ocasionar decisiones erradas o demasiado optimistas. Aun en casos que se suponan bien investigados, han ocurrido situaciones imprevistas al realizar el tratamiento de la cimentacin. Describiremos varios ejemplos que han influido en la actitud del ingeniero frente a estos problemas.

1.3.1 Presa Benito Jurez. Despus de estudiar alternativamente los sitios de l Marqus y El Tabln, sobre el ro Tehuantepec, Oax., se decidi construir la cortina en el ltimo, por razones econmicas. La boquilla de El Marqus tiene un ancho aproximadamente 3.5 veces mayor que la de El Tabln, pero la roca de las laderas y el cauce es granito alterado; el can de El Tabln est labrado en calizas crsticas, y en el eje escogido por ventajas topogrficas, el contacto con la intrusin grantica se encontr en ambas laderas. Segn la exploracin geolgica, la disolucin no era excepcional y en el ro exista un depsito de aluvin del orden de 10 m. La primera sorpresa fue encontrar en el cauce, debajo de las arenas y gravas, un antiguo derrumbe de ladera for

mado por grandes bloques de caliza; la profundidad promedio a que se lleg en los trabajos de limpia fue de 20 m. En segundo lugar se descubri una zona de disolucin intensa, al poner en operacin los tneles de desviacin; la excavacin para desplantar el corazn impermeable fue anegada, siendo necesario tratar con rellenos de concreto e inyecciones las cavernas desde el tnel ms prximo al ro. Dichos problemas causaron retrasos en el programa de construccin y cambios importantes en la ejecucin de las excavaciones. El tercer incidente ocurri en la margen izquierda. Como el contacto de la caliza con el granito acusaba fuerte alteracin en las excavaciones del vertedor, se realizaron tres galeras de exploracin, paralelas entre s y normales a la ladera. As, se localiz en el interior de la misma un tramo de la caliza totalmente fracturada (la apariencia era de un enrocamiento), que fue necesario ademar y tratar con inyecciones. Cuando la limpia en el cauce llegaba al pie de esta margen y se proceda a la remocin de materiales de derrumbe y roca alterada, la Residencia observ movimientos en las tres galeras, que indicaban un deslizamiento local de la ladera. Fue necesario realizar excavaciones adicionales de limpia para eliminar el material fracturado, suelto, y consolidar la roca con inyecciones; adems, este deslizamiento impuso modificaciones sustanciales en las estructuras del vertedor. Finalmente, a elevaciones superiores de la ladera derecha se encontr una caverna de grandes dimensiones, no localizada por las exploraciones del estudio preliminar; despus de una limpia cuidadosa, se rellen con hormign un volumen de 3 000 m3, aproximadamente. El tratamiento de la caliza en

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la cimentacin se hizo mediante una trinchera, un dentelln de concreto de 10 m de profundidad e inyecciones en tres lneas, dos de confinamiento lateral y la central de sello. El comportamiento de la presa despus de 10 aos de funcionamien-

a) Vista del azolve aguas abajo de la casa de mquinas

c) Operacin inicial de la limpieza del canal de desfogue

Fig 1.12 Azolve en el canal de desfogue

to ha sido excelente; las filtraciones aforadas en ambas mrgenes, aguas abajo, son menores de 50 It/seg.

1.3.2 Presa El Bosque. En 1954, habiendo alean-

b ) Vista de la pared de aguas abajo de la casa demquinas

d) Descargas de las turbinas, libres de azolve

de la casa de mquinas, La Venta, Gro.


zado el agua la elevacin 1 722 en el embalse de El Bosque, Mich., se registraron filtraciones importantes, tanto en los empotramientos como en la zona del vertedor. Los aforos realizados ese ao, no completos por la complejidad y evolucin del flujo a travs de la cimentacin, registraron un gasto de 0.75 m3/seg. Se realizaron varios trabajos de inyeccin y se construy un delantal de arcilla compactada para impermeabilizar parte de la ladera derecha, aguas arriba; estos intentos resultaron infructuosos. A consecuencia de lluvias intensas en 1958, el agua en el vaso subi a la elevacin 1 739.6 y el total de las filtraciones fue de 8.5 m3/seg, aproximadamente. La concentracin del flujo se hizo evidente; ocurrieron movimientos al pie del enrocamiento de la presa, aguas arriba, y cuando descendi el nivel en el embalse, se localizaron en l ms de 200 puntos de entrada del agua (dolinas) a lo largo de las mrgenes.

De acuerdo con los estudios geolgicos del lugar, el sitio de la presa El Bosque est localizado en lavas estratificadas de un volcn del Plio- ceno que hizo erupcin al N-NW de la boquilla. Durante el Cuaternario, otro volcn mltiple emiti lavas muy viscosas sobre las formaciones del Terciario de la margen derecha. Debido al enfriamiento, se formaron bloques de muy diversas dimensiones, dejando entre ellos vacos que fueron rellenados con arcilla residual y arenas del ro Zi- tcuaro (Mooser, 1964).

La exploracin original tanto en la boquilla como en la zona del vertedor, se efectu con mquina rotatoria y brocas EX. Con excepcin del empotramiento izquierdo, donde se tena un derrumbe de ladera, el resto del sitio fue considerado aceptable para desplantar una presa de tierra y roca, recomendndose inyecciones de cemento y agua en el eje de la cortina, siguiendo el mtodo usual en esa poca: inyeccin progresiva y espaciamiento variable de las perforaciones, segn el consumo de lechada previamente registrado.

Dado que los huecos entre los bloques de lava estaban principalmente ocupados por arena fina, la formacin sufri erosin interna con gradientes relativamente bajos; en menos de 4 aos, la filtracin creci de 0.8 a 9m3/seg. Los detalles de la exploracin, tratamiento y observaciones posteriores del flujo por la cimentacin, se presentarn en el cap 8.1.3.3 Aluviones en el cauce. En Mxico es frecuente encontrar potentes depsitos aluviales principalmente constituidos por arenas y gravas, en los sitios escogidos para construir presas; el espesor vara de 10 a 100 m. Las soluciones que se han aplicado para reducir las filtraciones a travs de dichos mantos permeables, han sido diversas y reflejan la adaptacin al caso particular y la evolucin de los procedimientos cons

tructivos. Por ejemplo, la presa Abelardo L. Rodrguez, Son. (Marsal y Tamez, 1954), terminada hace 20 aos, tiene un delantal de material arcilloso compactado, de 300 m de longitud, sobre un relleno de grava y arena, con espesor mayor de 50 m. En cambio, la presa Jos M. Morelos (La Villita) en el ro Balsas, se desplant sobre un depsito de arena, grava y boleos, de espesor comprendido entre 40 y 80 m, el cual fue interceptado con una pantalla de concreto colada in situ (ICOS), de 0.60m de ancho; las zonas adyacentes al muro se trataron mediante inyecciones de 20 m de profundidad, para reducir la compresibilidad del aluvin. La misma solucin pero formada por pilotes secantes, se aplic en la presa derivadora sobre el ro Xiucayucan, Pue. Un caso similar en el ro Nazas, es el de la presa Las Trtolas, Dgo.; el tratamiento consisti en formar una trinchera de lodos, de 3 m de espesor y 20 m de profundidad, admitiendo el paso de agua por la parte inferior del relleno natural, relativamente menos permeable que los estratos superiores. El comportamiento en los casos antes citados ha sido bueno, a juzgar por el gasto de filtraciones en la presa Abelardo L. Rodrguez y las mediciones piezomtricas en La Villita y Las Trtolas. El cap 8 presenta detalles constructivos de las soluciones adoptadas y mediciones sobre la efectividad de las pantallas construidas.

Cuando el espesor del depsito fluvial es menor de 25 m, la solucin aplicada sistemticamente ha sido la trinchera rellena con material arcilloso compactado; el ancho de la base de dicha trinchera se fija de acuerdo con la carga de agua y las condiciones de la roca, la cual se trata siguiendo especificaciones semejantes a las adoptadas para los contactos del corazn y las laderas. Ejemplos de esta alternativa (SRH, 1969) son las presas Alvaro Obregn, Son.; Lzaro Crdenas, Dgo.; Miguel Hidalgo, Sin.; Benito Jurez, Oax.; El Infiernillo, Mich.; Netzahualcyotl, Chis., etc.

Para la preparacin y tratamiento de la roca en las distintas zonas de una presa de tierra y enrocamiento, se han aplicado esencialmente los criterios del U. S. Bureau of Reclamation (1960) y del U. S. Army Corps of Engineers (ASCE, 1967).

1.4 ESTABILIDAD DE TALUDES

Esta seccin trata problemas inducidos por cortes importantes en taludes naturales, as como por deslizamientos de estos al almacenar agua en el embalse.

1.4.1 Obra de toma de El Infiernillo. En los macizos de roca, lo que importa son las discontinuidades y su arreglo respecto a la obra que se va a ejecutar. Estas discontinuidades son diacla- sas, planos de estratificacin y fracturas de origen tectnico que pueden estar limpias o rellenas

26 F undamentos

de roca triturada, depsitos hidrotermales o materiales producidos por intemperismo. El comportamiento de la roca depende en la mayora de los casos de las caractersticas mecnicas de esos rellenos. El anlisis de estabilidad puede complicarse por la presencia de esfuerzos de origen tectnico en la masa y los efectos no menos importantes generados por las explosiones al excavar la roca. Por ejemplo, en el sitio elegido para los vertedores de El Infiernillo, existe una condicin geolgica compleja. La roca es un conglomerado silicificado; tiene resistencia a la compresin simple de 1 500 kg/cm2, en promedio, y es muy sensible a la accin de los explosivos. Se especific el uso de corte previo ( pre-split), para efectuar las excavaciones. Cuando se abran los portales de acceso a los tneles, ocurri un corrimiento del talud de 2 a 3 cm, en todo el frente de ataque y segn uno de los planos de estratificacin, con formacin de grietas en varias zonas del corte. Se suspendi el trabajo y se excavaron

dos galeras de exploracin. A 5 m del frente, apareci una franja de roca intensamente fracturada y alterada. El resultado de estas investigaciones fue: a) desplazar las estructuras del vertedor 12 m hacia el ro, con objeto de reducir el volumen de la excavacin, y b) aplicar en todos los cortes de esta zona una poscompresin de 7 ton/m2 mediante anclas, inclinadas 45 grados respecto a los planos de estratificacin y de 18 a 25 m de profundidad (fig 1.13). Las anclas son barras de 1.25 plg, espaciadas 2.5 m y sometidas a tensin de 42 ton; tambin se usaron anclajes formados por 14 alambres de acero, de7 mm de dimetro. Ambos tipos se alojaron en perforaciones de 7.5 cm, fijando a la roca el tramo interior de 4 m, con mortero inyectado. Peridicamente se ha verificado la tensin y a partir de la segunda revisin, la prdida de carga en las anclas ha resultado menor de diez por ciento. En otros proyectos de la CFE, como El Novillo, Sta. Rosa y La Soledad, se ha usado el anclaje

Obras de toma de la planta hidroelctrica

(a)

(b )

Fig 1.13 Taludes en la obra de toma de El Infiernillo poscomprimidos con anclas


Domo mltiple;

1 l i/ w TLavas viscosas ^del domoi

Relleno de aluvin

DESLIZAMIENTO

Lavas del volcn estratificado

Fig 1.14 Geologa en el sitio de El Bosque

Volcn estratificado

Embalse

PresaVertedor

antes descrito para consolidar los empotramientos de las cortinas respectivas (arco-bveda), as como los macizos de roca vecinos a las estructuras de dichas obras.

2.4.2 Derrum be en El Bosque. En esta presa se observ el desarrollo de fuertes filtraciones, para niveles en el vaso superiores a la elevacin 1 722 (inciso 1.3.2). A 1 km de distancia, aguas abajo y en la ladera izquierda, las salidas de agua eran concentradas, brotando por el contacto entre bloques de basalto y derrames ms impermeables del Terciario. La ladera de este tramo del ro tiene taludes de 1:1 y apariencia de un macizo muy competente; sin embargo, en fotografas areas se observan huellas de antiguos deslizamientos en esta zona. De acuerdo con exploraciones geolgicas realizadas durante la campaa de tratamiento de la cimentacin bajo la presa, se estableci la presencia de un valle sepultado por el domo mltiple (fig 1.14). El flujo de agua antes citado ocurra por este accidente geolgico, desconocido antes que la ladera deslizara. El movimiento se produjo en forma sbita, durante la noche, sin que los pobladores del lugar advirtieran el peligro. Abarca una longitud de 300 m, tiene una altura de 100 m, aproximadamente, y presenta la forma de un anfiteatro (f ig 1.15).

La superficie de falla sala a nivel del cauce y quedaron intactos pequeos prados e instalaciones rurales; movimientos posteriores convirtieron al talud en una masa informe descubriendo un escarpe vertical en la parte superior. No cabe duda que de ocurrir este deslizamiento a menor distancia de la presa, habra puesto en peligro su estabilidad.

1.4.3 Deslizamiento en la margen derecha de Sta. Rosa. La presa es del tipo arco-bveda, de 114 m de altura y 12 m de espesor en la base, construida sobre el ro Santiago, Jal. Cuando se excavaba el canal de acceso al vertedor, en la margen derecha, ocurri un deslizamiento que tena la apariencia de un fenmeno local; los movimientos aumentaron durante la poca de lluvias. Despus de cerrar la presa en 1962 y sobrelevar el agua en el embalse, se reactiv la falla en forma notoria, extendindose hacia aguas arriba. Se inici el estudio del problema con base en sondeos y la instalacin de piezmetros, inclinmetros y bancos de nivelacin y colimacin. Posteriormente se colocaron extensmetros elctricos para detectar desplazamientos desde una estacin central. La fig 1.16 muestra la zona adyacente al vertedor de excedencias afectada por el deslizamiento y la localizacin de las secciones de observacin, cuatro de ellas con extensmetros

Fig 1.15 Derrumbe aguas abajo de la presa El Bosque

28 Fundamentos

Cortina

Fig 1.16 Zona afectada por el deslizamiento en el vertedor de la presa Sta. Rosa, Jal.; localizacin de instrumentos de observacin

Vertedor

0 20 50----1 ---------1metros

elctricos, y las restantes formadas por series de tres bancos superficiales, originalmente alineados. La fig 1.17 presenta la evolucin de los componentes vertical y horizontal de los desplazamientos registrados en dos puntos representativos del conjunto y la variacin del nivel del agua en el embalse.

De acuerdo con los estudios geolgicos, el vaso se extiende por caones y valles profundos labrados en series vplcnicas del Terciario Medio y Superior. Se supone que las calizas del Cretceo subyacen a las rocas volcnicas. El ro Santiago escurre a lo largo de una falla principal que cruza el sitio de la presa, en la margen derecha. En esta rea existe un cauce sepultado por deslizamientos antiguos, los cuales hicieron que el ro desviara su curso. La presa est cimentada sobre derrames de riolita, a su vez soportados por tobas compactas.

De los sondeos realizados en el deslizamiento del vertedor, se obtuvieron especmenes de la roca, de 5 cm de dimetro; de estos se ensayaron en cmara triaxial las muestras de tobas blandas, bajo presiones confinantes de 4 a 8 kg/cm2 (estados natural y saturado). Las diferencias entre los esfuerzos desviadores mximo y residual son notables. El ngulo de inclinacin correspondiente a la envolvente de resistencia residual result mayor de 26 grados. Se analiz la estabilidad del talud, localizando la superficie de falla con base en las mediciones de inclinmetros y para diferentes condiciones del nivel del agua;

la subpresin se estim a partir de las mediciones piezomtricas. Los clculos indican que el macizo de roca no debi deslizar. Para que esto ocurriera, sera necesario suponer que el material a lo largo de las superficies de falla analizadas tiene cohesin nula y ngulo de friccin menor de 24 grados. No es sorprendente el resultado del anlisis, si se tienen en cuenta las dificultades para muestrear tobas y lavas interestrati- ficadas y, sobre todo, las capas del material trituradas por el propio deslizamiento. La fig 1.18 muestra el perfil del terreno y la posicin de las superficies de falla establecidas mediante los inclinmetros.

1.5 FUNCIONAMIENTO DE VERTEDORES

Otro aspecto del proyecto de obras hidrulicas que tiene importancia durante la operacin, es el comportamiento de las estructuras vertedoras. La tendencia reciente a construir presas cada vez ms altas, particularmente con fines de generacin de energa, contribuye a hacer el problema ms crtico. Poco se conoce sobre el escurrimien- to de corrientes de agua a velocidad elevada (mayor de 20m/seg) y los modelos a escala reducida no haban permitido observar los fenmenos que se comen ms adelante. A esto se debe la investigacin del flujo a alta velocidad (Echvez, 1969) que ha realizado el Instituto de Ingeniera, UNAM, promovida por la CFE.

En Mxico se han proyectado diferentes tipos


de vertedores, de cresta libre u operados por compuertas, dotados de tanque amortiguador o deflector curvo, con descarga en canal abierto o en tnel. Como consecuencia de problemas surgidos en la adquisicin de compuertas durante la ltima contienda mundial (1939-1945), se desarroll el vertedor de cresta curva, con salto hidrulico al pie de la misma y canal unido a la seccin de control hidrulico, mediante curvas pronunciadas (Hiriart, 1949). El criterio en boga favorece el uso de compuertas, planas o radiales, por la ventaja que ofrecen en la regulacin del ro. El funcionamiento de las estructuras construidas en las ltimas dcadas, ha puesto de manifiesto varios problemas an no resueltos. En este sentido los tneles vertedores de El Infiernillo se convirtieron en un laboratorio a escala natural y han sido los promotores de investigaciones hidrulicas de gran valor para la ingeniera. Por esta razn consideramos de inters exponer, con cierto detalle, los problemas que ha planteado el funcionamiento de esta obra de excedencias.

1.5.1 Presa El Infiernillo. Los tres vertedores estn localizados en la ladera izquierda. Cada estructura tiene tres compuertas radiales (7.5 x 15 m ) y est conectada a un tnel de 13 m de dimetro ; la cota superior de las compuertas es la elevacin 169.0. La fig 1.19 muestra el corte longitudinal de uno de los vertedores, que fueron diseados para un gasto mximo de

3 500 mVseg, por unidad; la avenida de diseo es de 38 000 m3/seg y volumen total de 10 300 millones de metros cbicos. Debido a retrasos en la construccin de las estructuras de entrada, fue necesario montar las compuertas del tnel 5 * arriba del cimacio, sobre un entramado de acero, a la elevacin 167. El cierre de la presa se llev a cabo el 15 de junio de 1964. El nivel del agua en el vaso alcanz la cresta vertedora (elevacin 154) el 3 de agosto de ese ao. En esa fecha, el montaje de las compuertas de los tneles 3 y 4 estaba terminado, a excepcin de los mecanismos para izarlas, y se haban completado los revestimientos, inyecciones y drenes del tnel 5.

El flujo de agua por el tnel 5 fue normal hasta que el caudal lleg a un volumen de 200 m3/seg; la vena lquida no se despeg completamente a la salida del salto de esqu, pues aparentemente se form el remanso hidrulico dentro del tnel. A partir del citado gasto, la turbulencia y la cantidad de aire incluida aumentaron en forma apreciable y se empezaron a escuchar ruidos desde la galera de drenaje de la elevacin 80 y desde el tnel 4. A medida que el caudal aumentaba, el tirante en el tnel era mayor que el previsto por las mediciones en el modelo hidrulico. Para el gasto de 400 m3/seg se hicieron determinaciones de velocidad superficial; el tiempo medido con flotadores entre la entrada y el portal de salida vari de 15 a 16 seg. El aire

* Los tneles vertedores se distinguen con los nmeros 3, 4 y 5, contados de aguas arriba hacia la presa.

40

200

-20-40-60

-80

-100

-Seccin de control 3

' * * Movimientos verticalesMovimientos paralelos al alineamienl:o

---------- Movimieritos perpendiculares al alieamiento

V v ______

___1___1__1 ___1___1___ 1___ 1___ 1 i i i i i ___i. i .i__ l..... i. ,

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Seccin de cc Movimiei Movimier Movimier

jntrol 5tos verticalestos paralelos al alineamientos perpendiculares al alie

toamiento

i i i i i i i i J ___ L__ 1__1 1 i i i i i .....i L - i .. . L----1... .A9

J A 0 0 J9

D F1 9 6

J A 9 6

Fig 1.17 Desplazamientos verticales y horizontales en dos estaciones del vertedor de Sta. Rosa

30 Fundamentos

Fig 1.18 Superficies de falla en el vertedor de Sta. Rosa

arrastrado por el escurrimiento era importante y continuo. A principios de septiembre se observ pulsacin en la corriente de aire, aumento de turbulencia y formacin de ondas estacionarias en el interior del tnel. Para un gasto de 1 000 m3/seg, el nivel del agua a la salida alcanzaba a la seccin diametral del tnel 5. El 13 de septiembre se registr un brusco incremento de 1.5 m en el tirante de agua y disminucin en la velocidad superficial; el tiempo de recorrido de flotadores entre la entrada y el portal de salida result variable entre 32 y 48 seg, en cinco determinaciones. Evidentemente el funcionamiento del vertedor era anormal, pero no poda ponerse fuera de servicio porque continuaba el montaje de las compuertas radiales y los mecanismos de operacin. Este trabajo se termin el 21 de septiembre de 1964. El 22 del mismo mes se interrumpieron las descargas del embalse para inspeccionar los vertedores.

Se presentan a continuacin las observaciones ilustradas por las fotografas de la fig 1.20: a) Tnel 5. No acusaba dao apreciable en la sec

Elev 180.0

cin vertedora ni en la transicin; defectos tales como agujeros para anclar formas y placas de acero, no haban inducido desgaste visible en el concreto. En la junta de la transicin y el codo, se desprendieron dos masas de concreto reforzado, ubicadas simtricamente en relacin al plano vertical que contiene al eje del tnel, y que corresponden a zonas de colado difcil. A partir de la ltima junta del codo y en una longitud de 40 m, la mitad inferior del revestimiento desapareci.La profundidad media de socavacin en la roca (conglomerado silicificado) fue de 4m, con un mximo de 8 m ; coincidi con una fractura geolgica importante. El volumen de materiales socavados por el agua result de 1 200 m3, aproximadamente. El concreto de la clave no se derrumb en esta parte del tnel 5. Aguas abajo y en un tramo de 100 m, se observ erosin intensa del revestimiento, seguramente producida por los bloques de concreto y de roca acarreados por el agua. En el resto del tnel, hasta el portal de salida, no se apreciaron daos de consideracin, b) Tnel 3. Oper con gastos variables entre 500 y 110m3/seg

Acotaciones, estaciones y elevaciones, en m

Fig 1.19 Corte longitudinal de uno de los vertedores en tnel de El Infiernillo


(a )

Fig 1.20 Daos en el

el da 21 de septiembre y tan solo durante una hora. No se registraron perjuicios importantes, excepto erosin incipiente en la parte final del codo y el tramo adyacente del tnel, donde el concreto haba sido mal colado, c ) Tnel 4. Debido a que no se haba terminado el tratamiento con inyecciones detrs del revestimiento, esta estructura no entr en operacin hasta fines de 1964.

Las reparaciones del tnel 5 se iniciaron de inmediato y consistieron en los siguientes trabajos : a) Limpia superficial y extraccin de la roca suelta por medio de martillos neumticos, en las zonas daadas del codo; instalacin de anclas de 1 Vi plg de dimetro y 6 m de longitud, con rea tributaria de 2 m2; colado de concreto reforzado con barras de 1 plg espaciadas cada 30 cm, en dos direcciones y ligadas a las anclas, b) Anclaje del revestimiento de la clave no afectado por la destruccin, aguas abajo del codo, mediante barras de acero de las mismas caractersticas que las indicadas en el punto anterior, c ) Reposicin de la roca y el revestimiento, con hormign en la parte inferior del tnel, previa limpia, colocacin de tubos para inyectado y refuerzo de barras de 1 plg de dimetro, a cada 40 cm, en tres direcciones ortogonales.

Durante el mes de julio de 1965, el tnel 3 acus daos severos en un tramo de 30 m de longitud, a continuacin del codo. El revestimiento de la cubeta desapareci y la erosin afect a la roca. El volumen estimado de la socavacin fue de 400 m3. Las fotografas de la fig 1.21 muestran daos registrados en este caso. Las inspecciones del tnel se hacan cada 48 horas. La

(b )

tnel 5 de El Infiernillo

reparacin del revestimiento fue ejecutada en forma similar a la descrita para el tnel 5. Debido a los daos sufridos por este tnel, durante los

(b )Fig 1*21 Erosin en el tnel 3 de El Infiernillo

32 Fundamentos

meses de agosto y septiembre el agua descarg por los tneles 4 y 5. En ellos se registraron erosiones superficiales que se reparaban a medida que ocurran.

En la temporada de lluvias de 1966, se operaron los tres vertedores. No se observaron mayores daos. Sin embargo, fue necesario reparar erosiones que aparecan con frecuencia aguas abajo del codo y en la junta de unin de este con la transicin superior.

En 1967, la operacin de los vertedores fue normal hasta mediados de septiembre. El da 26 de ese mes se gener una perturbacin meteorica que abarc la parte central del pas y se superpuso a otra que avanzaba a lo largo de la costa del Pacfico. El resultado fue una avenida sin precedentes en la historia del ro Balsas, cuyo hidrograma en El Infiernillo se present en la fig 1.3. Debido a que estaba en construccin la presa Jos M. Morelos, 40 km aguas abajo, fue necesario limitar a 6 000 m3/seg la descarga en El Infiernillo; esta se aument tres das ms tarde a 7 000 m3/seg, despus de sobrelevar la presa Morelos 2.50 m arriba de la cota de seguridad que se haba establecido previamente. Se operaron en El Infiernillo los tres tneles verte

Fig 1.22 Vista area de los vertedores de El Infiernillo funcionando durante la avenida (sep 1967)

dores con las compuertas radiales abiertas parcialmente; en 13 das se desaloj un volumen de 5 527 x 10 m3, y el total correspondiente a esta avenida excepcional fue de 7 940 x 106 m:\ operando la obra de excedencias en forma continua durante 36 das. La fotografa de la fig 1.22 muestra el embalse y la salida de los vertedores cuando el agua alcanzaba el nivel mximo, elevacin 172.31 (corona de la cortina, elevacin 180.00). Los daos registrados en los tneles vertedores fueron moderados; en total, hubo que reponer 350 m3 de concreto. El ms afectado fue el tnel 3, donde se erosion un tramo de 20 m con profundidad de 2.5 m.

Debido a la operacin exhaustiva de la planta

Ao Volumen escurrido x 106 msErogacin, en miles de pesos

mexicanos *

1964 8 200 2 1131965 10 228 4 0861966 7 355 1 2871967 10 783 5471968 1 196 25

* Para expresar las erogaciones en dlares, divdase por 12.50.

34 Fundamentos

(fig 1.23). Desaguado este, se pudo comprobar que el 60 por ciento del revestimiento del piso haba sido destruido por el agua y que la roca de cimentacin presentaba erosin hasta de 6 m de profundidad, bajo su nivel original, a lo largo del sistema de fracturas predominante (fig 1.24). Estudios con modelos hidrulicos verificaron que la causa del dao era el desarrollo de una subpresin no tomada en cuenta al proyectar el revestimiento de concreto y su anclaje a la roca de cimentacin (Snchez Bribiesca et al, 1971). La reparacin se efectu con base en las mediciones de laboratorio, lo que oblig a aumentar el espesor de las losas y el anclaje de sujecin, con un costo aproximado de 20 millones de pesos.

A raz de la experiencia adquirida al operar los vertedores de El Infiernillo, se hace hincapi en el requisito de flexibilidad funcional para las obras de excedencias. En efecto, considerando que se contaba con tres estructuras independientes en el citado caso, las reparaciones se pudieron realizar sin mayor interferencia. Por tal razn, la presa La Angostura, Chis., contar con dos vertedores gemelos, dotados de compuertas y saltos de esqu, con capacidad para descargar un gasto mximo de 6 500 m3/seg.

1.6 COMENTARIOS

Los ejemplos examinados no son los nicos que se han encontrado durante el proceso de construccin de las presas de Mxico, en los ltimos 30 aos. Puede afirmarse que en toda obra de este tipo se han presentado problemas de diversa ndole. La geologa, la informacin hidrolgica disponible, la incertidumbre de los fenmenos naturales y las circunstancias econmicas y contractuales que concurren durante la realizacin de un proyecto hidrulico, hacen que sea remota la posibilidad de dos casos iguales. Por ello, el diseo de este tipo de obra debe ser flexible y puede considerarse terminado despus de haberlo expuesto a varios aos de operacin. Adems, la ocurrencia de meteoros imprevisibles, la accin de sismos como el de Anchorage, Alaska, los avances de la mecnica de suelos y de rocas en poca reciente, han conducido a la revisin de estructuras que aparentemente han tenido un comportamiento normal. Los criterios generales y la experiencia en este campo de la ingeniera, constituyen las bases de trabajo; pero, en muchos casos, es tan complejo el problema o las incgnitas involucradas, que debe proyectarse la presa a medida que se construye, con apoyo en mediciones de campo.

Fig 1.24 Presa Netzahualcyotl. Losas del tanque amortiguador desplazadas hacia aguas abajo

34 Fundamentos

(fig 1.23). Desaguado este, se pudo comprobar que el 60 por ciento del revestimiento del piso haba sido destruido por el agua y que la roca de cimentacin presentaba erosin hasta de6 m de profundidad, bajo su nivel original, a lo largo del sistema de fracturas predominante (fig 1.24). Estudios con modelos hidrulicos verificaron que la causa del dao era el desarrollo de una subpresin no tomada en cuenta al proyectar el revestimiento de concreto y su anclaje a la roca de cimentacin (Snchez Bribiesca et al, 1971). La reparacin se efectu con base en las mediciones de laboratorio, lo que oblig a aumentar el espesor de las losas y el anclaje de sujecin, con un costo aproximado de 20 millones de pesos.

A raz de la experiencia adquirida al operar los vertedores de El Infiernillo, se hace hincapi en el requisito de flexibilidad funcional para las obras de excedencias. En efecto, considerando que se contaba con tres estructuras independientes en el citado caso, las reparaciones se pudieron realizar sin mayor interferencia. Por tal razn, la presa La Angostura, Chis., contar con dos vertedores gemelos, dotados de compuertas y saltos de esqu, con capacidad para descargar un gasto mximo de 6 500 m3/seg.

1.6 COMENTARIOS

Los ejemplos examinados no son los nicos que se han encontrado durante el proceso de construccin de las presas de Mxico, en los ltimos 30 aos. Puede afirmarse que en toda obra de este tipo se han presentado problemas de diversa ndole. La geologa, la informacin hidrolgica disponible, la incertidumbre de los fenmenos naturales y las circunstancias econmicas y contractuales que concurren durante la realizacin de un proyecto hidrulico, hacen que sea remota la posibilidad de dos casos iguales. Por ello, el diseo de este tipo de obra debe ser flexible y puede considerarse terminado despus de haberlo expuesto a varios aos de operacin. Adems, la ocurrencia de meteoros imprevisibles, la accin de sismos como el de Anchorage, Alaska, los avances de la mecnica de suelos y de rocas en poca reciente, han conducido a la revisin de estructuras que aparentemente han tenido un comportamiento normal. Los criterios generales y la experiencia en este campo de la ingeniera, constituyen las bases de trabajo; pero, en muchos casos, es tan complejo el problema o las incgnitas involucradas, que debe proyectarse la presa a medida que se construye, con apoyo en mediciones de campo.

Fig 1.24 Presa Netzahualcyotl. Losas del tanque amortiguador desplazadas hacia aguas abajo

36 Fundamentos

Fallas de proyecto que limitaron en forma importante la utilidad de la obra 3

2.1 NOTA HISTRICA

La presa de tierra es posiblemente una de las estructuras ms antiguas construidas por el hombre. Se sabe que los chinos, antes de la era cristiana, ya tenan bordos de gran longitud y compactaban la tierra con varas de carrizo manejadas por verdaderos ejrcitos humanos.

Los hindes desarrollaron este tipo de obra desde el ao 500 AC y construyeron la presa Madduk-Masur, de 33 m de altura, hace 45 dcadas. Se destruy por carencia de vertedor.

Los aztecas, bajo la direccin de Netzahualcyotl, 1 450 DC, hicieron estas construcciones en el Valle de Mxico para protegerse de inundaciones, siendo el albarradn que divida los lagos de Texcoco y Xaltocan una de esas estructuras.

En 1789 qued terminada la presa Estrecho de Riente, Espaa, de 45 m de altura; su falla en 1802 desalent a los ingenieros europeos, que hasta poca reciente solo recurran a este tipo de presa en valles anchos y cuando la altura requerida era relativamente pequea.

A principios del siglo pasado, se empezaron a construir pequeas presas de tierra en Estados Unidos de Norteamrica, principalmente en la regin oeste, para abastecimiento de agua (San Francisco). En realidad, se popularizan estas construcciones con la expansin del riego en los ltimos 40 aos. Una trayectoria semejante se registra en Mxico, a raz de la creacin de la Comisin Nacional de Irrigacin en 1926 (hoy Secretara de Recursos Hidrulicos). Esta dependencia gubernamental ha construido la mayora de las presas de Mxico ; sin embargo, en las dos ltimas dcadas, la Comisin Federal de Electricidad tambin ha realizado obras de este tipo con fines de generacin de energa. Adems, la Secretara de Agricultura y Ganadera ha contribuido a su desarrollo con obras ms bien de tamao reducido (pequeas presas, bordos y cajas de agua).

2.2 DEFINICIN DE TRMINOS

La mayora de los trminos que se utilizarn frecuentemente en este libro aparecen ilustrados en la fig 2.1 y se describen a continuacin. Otros que son propios de cortinas menos tpicas, se irn definiendo a medida que sea necesario.

Cortina o presa. Ambos trminos se emplearn como sinnimos, para designar la estructura que tiene por objeto crear un almacenamiento de agua o derivar el ro. En algunos casos, a fin de evitar excesivas repeticiones, se usar la palabra terrapln.

Boquilla o sitio. Lugar escogido para construir la cortina.

Seccin de la cortina. En general, es cualquier corte transversal de la presa; pero a menos que se especifique la estacin o cadenamiento de dicho corte, es la seccin de mxima altura de la cortina.

Altura de la cortina. Se define como la distancia vertical mxima entre la corona y la cimentacin, la cual no necesariamente coincide con la medida desde el cauce del ro, por la presencia de depsitos aluviales.

Corona o cresta. Es la superficie superior de la cortina que, en ciertos casos, puede alojar a una carretera o la va de un ferrocarril; normalmente, es parte de la proteccin de la presa contra oleaje y sismo, y sirve de acceso a otras estructuras.

Talud. Es cualquier plano que constituye una frontera entre los materiales de la cortina o con el medio circundante. Se medir por la relacin de longitudes entre el cateto horizontal y el vertical; por ejemplo, un talud 3.5:1 significa que la cotangente del ngulo que forma el plano o traza con la horizontal es de 3.5.

Corazn impermeable. Tambin llamado ncleo de tierra, es el elemento de la presa que cierra el valle al paso del agua contenida en el embalse o vaso.

Respaldos permeables. Son las masas granulares que integran, con el corazn impermeable, la seccin de la cortina. Pueden estar formados,

Eje de la cortina

^ / / \\ G !! II

31(>4H L 41

NOMENCLATURA

Cresta o corona Talud aguas arriba

Revestimiento de la corona Talud aguas abajo

Filtros Pantalla de inyecciones

Corazn o ncleo impermeable Galera

Trinchera Drenes

Transiciones Pozos de alivio

En Tocamientos Embalse o vaso

Depsito aluvial @ Bordo libre

Roca basal Altura de la cortina

Fig 2.1 Definiciones

36 Fundamentos

Fallas de proyecto que limitaron en forma importante la utilidad de la obra 3

2.1 NOTA HISTRICA

La presa de tierra es posiblemente una de las estructuras ms antiguas construidas por el hombre. Se sabe que los chinos, antes de la era cristiana, ya tenan bordos de gran longitud y compactaban la tierra con varas de carrizo manejadas por verdaderos ejrcitos humanos.

Los hindes desarrollaron este tipo de obra desde el ao 500 AC y construyeron la presa Madduk-Masur, de 33 m de altura, hace 45 dcadas. Se destruy por carencia de vertedor.

Los aztecas, bajo la direccin de Netzahualcyotl, 1 450 DC, hicieron estas construcciones en el Valle de Mxico para protegerse de inundaciones, siendo el albarradn que divida los lagos de Texcoco y Xaltocan una de esas estructuras.

En 1789 qued terminada la presa Estrecho de Riente, Espaa, de 45 m de altura; su falla en 1802 desalent a los ingenieros europeos, que hasta poca reciente solo recurran a este tipo de presa en valles anchos y cuando la altura requerida era relativamente pequea.

A principios del siglo pasado, se empezaron a construir pequeas presas de tierra en Estados Unidos de Norteamrica, principalmente en la regin oeste, para abastecimiento de agua (San Francisco). En realidad, se popularizan estas construcciones con la expansin del riego en los ltimos 40 aos. Una trayectoria semejante se registra en Mxico, a raz de la creacin de la Comisin Nacional de Irrigacin en 1926 (hoy Secretara de Recursos Hidrulicos). Esta dependencia gubernamental ha construido la mayora de las presas de Mxico ; sin embargo, en las dos ltimas dcadas, la Comisin Federal de Electricidad tambin ha realizado obras de este tipo con fines de generacin de energa. Adems, la Secretara de Agricultura y Ganadera ha contribuido a su desarrollo con obras ms bien de tamao reducido (pequeas presas, bordos y cajas de agua).

2.2 DEFINICIN DE TRMINOS

La mayora de los trminos que se utilizarn frecuentemente en este libro aparecen ilustrados en la fig 2.1 y se describen a continuacin. Otros que son propios de cortinas menos tpicas, se irn definiendo a medida que sea necesario.

Cortina o presa. Ambos trminos se emplearn como sinnimos, para designar la estructura que tiene por objeto crear un almacenamiento de agua o derivar el ro. En algunos casos, a fin de evitar excesivas repeticiones, se usar la palabra terrapln.

Boquilla o sitio. Lugar escogido para construir la cortina.

Seccin de la cortina. En general, es cualquier corte transversal de la presa; pero a menos que se especifique la estacin o cadenamiento de dicho corte, es la seccin de mxima altura de la cortina.

Altura de la cortina. Se define como la distancia vertical mxima entre la corona y la cimentacin, la cual no necesariamente coincide con la medida desde el cauce del ro, por la presencia de depsitos aluviales.

Corona o cresta. Es la superficie superior de la cortina que, en ciertos casos, puede alojar a una carretera o la va de un ferrocarril; normalmente, es parte de la proteccin de la presa contra oleaje y sismo, y sirve de acceso a otras estructuras.

Talud. Es cualquier plano que constituye una frontera entre los materiales de la cortina o con el medio circundante. Se medir por la relacin de longitudes entre el cateto horizontal y el vertical; por ejemplo, un talud 3.5:1 significa que la cotangente del ngulo que forma el plano o traza con la horizontal es de 3.5.

Corazn impermeable. Tambin llamado ncleo de tierra, es el elemento de la presa que cierra el valle al paso del agua contenida en el embalse o vaso.

Respaldos permeables. Son las masas granulares que integran, con el corazn impermeable, la seccin de la cortina. Pueden estar formados,

Eje de la cortina

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38 Fundamentos

Fig 2.3 Granulometras

exteriores del ejemplo son conocidos de antemano, as como las relaciones de vacos de las diferentes fracciones separadas por sedimentacin.

Las consecuencias de una variacin importante en la cantera, o bien, de un control deficiente de la distribucin del material en la cortina, se exhiben en la fig 2.4.

Nota. La disponibilidad de materiales, equipo y personal experimentado, pueden hacer que este procedimiento de construccin resulte atractivo por razones de costo. Sin embargo, son varias las desventajas que ameritan anlisis. La ms importante es que todos los materiales son colocados en estado suelto. Por tanto, puede decirse que la resistencia al corte es menor y tanto la compresibilidad como la susceptibilidad a licuacin, mayores que en cortinas de materiales compactados. En general, el volumen de una presa construida por este mtodo es superior que otra de la misma altura realizada compactando los materiales. Las fallas de las presas de relleno hidrulico, Fort Peck en EUA y Necaxa en Mxico, han desprestigiado este tipo de construccin.

El abaratamiento de los costos de colocacin por capas y el desarrollo de equipos de compactacin cada vez ms eficientes, han contribuido a que la alternativa de presa de relleno hidrulico haya quedado relegada al olvido, en las dos ltimas dcadas; sin embargo, existe la tendencia a revivir el mtodo aplicando nuevas tcnicas de colocacin y compactacin de los materiales bajo agua para formar zonas que resulten impermeables (presa Aswan, Egipto).

2.3.2 Presas de materiales compactados. La compactacin de la tierra fue aplicada en Europa a

AME

Fig 2.4 Defectos en una presa de relleno hidrulico

principios del siglo XIX. En Inglaterra, hacia

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