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3er Simposio Internacional sobre túneles y lumbreras en suelos y roca
Lumbrera para toma de agua potable en Presa “Paso Ancho”, Oaxaca
Shaft For Potable Water Intake in Dam “Paso Ancho”, Oaxaca
Humberto Marengo Mogollón, Comisión Federal de Electricidad, México
Raymundo Padua Fernández, Comisión Federal de Electricidad, México
Cristhian Balmaceda Rodríguez, Comisión Federal de Electricidad, México
Álvaro Chacón García, Comisión Federal de Electricidad, México
RESUMEN: El proyecto Presa “Paso Ancho”, está localizado en el sur del estado de Oaxaca y tiene como objetivo proporcionar
agua potable a la ciudad de mismo nombre. El embalse está conformado por una presa de enrocamiento con cara de concreto (ECC),
de 75,0m de altura. El agua es captada por una obra de toma en lumbrera localizada en la margen izquierda, ésta tiene requerimientos
geométricos de operación especiales que son: una planta hexagonal inscrita en una circunferencia de 6,42m de diámetro con 3,21m de
lado. La conducción hacia la lumbrera se realiza por medio de tres bocatomas y sus conductos, que se conectan a la lumbrera en caras
y elevaciones distintas, la lumbrera tiene 70,0m de profundidad y cuenta, además, con tres guías para compuertas de 2,30m x 1,94m,
medidas en planta. Se destaca el hecho de que es construida en condiciones geológicas adversas dadas por rocas andesitas de mediana
a mala calidad. Para su diseño geotécnico se recurre a criterios de análisis y diseño de lumbrera, desde métodos semi-empíricos, que
se sustentan en experiencias previas, hasta métodos que usan modelos de comportamiento empleando como herramientas el elemento
finito, cuya solución necesita de técnicas más elaboradas.
ABSTRACT: The “Paso Ancho” Dam project is located at south of Oaxaca state and it has as objective to provide potable water to
the city with the same name. The reservoir is conformed by a concrete face rock fill dam 75,0 meters high. The water is collected by a
shaft intake located at left bank, it has special geometric operating requirements which are: a hexagonal plan inscribed in a 6,42m
diameter circumference with 3,21m side. The conduction toward the shaft is performed by three intakes and its ducts are connected to
the shaft in different faces and elevations, the shaft has 70,0m deep and also has three gate guides 2,30m x 1,94m plan measured. It is
noteworthy; the fact that it is construct in adverse geological conditions given by medium to poor quality andesite’s rocks. For its
geotechnical design it is use semi empirical criteria analysis and shaft design, that are based in previous experiences, to methods using
finite element behavioral as tools in models, whose solution requires of higher elaborate techniques.
1 INTRODUCCIÓN
1.1 Presa Paso Ancho
El proyecto Presa “Paso Ancho”, está localizado en el sur
del estado de Oaxaca, en las coordenadas geográficas
16°24’45” de latitud Norte y 96°52’27” de longitud
Oeste, el cual se construye sobre el río Atoyac, a 100,0 km
aproximadamente al sur de la ciudad de Oaxaca. La presa
Paso Ancho, es una presa de enrocamiento con cara de
concreto de 75,0m de altura, construida para abastecer de
agua potable a la ciudad de Oaxaca de Juárez. El sistema
de agua potable está conformado por: obra de captación,
obra de conducción y sistema de bombeo; el sistema
contará con una minicentral para consumo propio de
energía eléctrica, las obras de agua potable mencionadas
se encuentran en la margen izquierda del proyecto.
La geología y la tectónica en la zona de emplazamiento
de la presa está dominada por dos fenómenos: la
subducción de las placas oceánicas bajo la placa
continental y la actividad del eje volcánico transmexicano,
siendo el primer fenómeno el dominante. El sur de
México, y en especial el estado de Oaxaca, está dominado
por la subducción de la Placa de Cocos debajo de la placa
Norteamericana, teniendo en esta zona terremotos con
tiempos de recurrencia relativamente cortos y magnitudes
Ciudad de México, 7 y 8 de noviembre de 2013
entre 7,3 y 7,7 en la escala Richter, se han registrado
grandes temblores que han tenido lugar en 1965, 1968,
1982 y 1999.
Como resultado del estudio de peligro sísmico realizado
para el proyecto, se obtuvieron espectros de sitio con
valores de aceleración pico del terreno de 0,4g para el
Sismo Máximo Creíble y de 0,28g para el sismo Base de
Diseño, con periodos de retorno de 1000 años y 200 años
respectivamente.
El diseño de las estructuras civiles requiere de la
evaluación de su comportamiento para diferentes hipótesis
de carga, entre las cuales se encuentra la fuerza sísmica.
Durante la etapa de análisis de factibilidad del proyecto se
estudiaron las siguientes alternativas: una presa rígida del
tipo de concreto compactado con rodillo (CCR) con obra
de toma convencional del tipo torre de concreto adosada al
cuerpo de la cortina, cortina flexible de enrocamiento con
núcleo de arcilla (ENA), cortina flexible de enrocamiento
con cara de concreto (ECC). La simulación de la respuesta
sísmica en las dos margenes ante el sismo de diseño,
mostraron que se presentarían desplazamientos y
velocidades diferenciales inaceptables para la seguridad de
una presa rígida.
Lumbrera para toma de agua potable en Presa “Paso Ancho”, Oaxaca
éstas se localizan a diferentes elevaciones y longitudes: la
galería G1 es proyectada a la elevación 1 286,50 con
38,02m de longitud, la galería G2 es proyectada a la
elevación 1 299,15 con 30,77m de longitud y la galería G3
es proyectada a la elevación 1 311,80 con 20,45m de
longitud. Todas las galerías tienen 1,5m de diámetro
interno y las bocatomas estarán protegidas mediante
rejillas metálicas. El objetivo de disponer de agua
almacenada a diferentes elevaciones es obtener el agua
con la mayor oxigenación posible.
1.4 Tubería de conducción para agua potable
Figura 1. Isométrico de lumbrera de agua potable
Con base en los análisis de las alternativas, se optó por
la de menor costo: una presa flexible de enrocamiento con
cara de concreto (ECC) y una obra de toma en lumbrera
excavada en la ladera izquierda (Fig. 1).
1.2 Lumbrera Hexagonal
La lumbrera hexagonal tiene la función principal de
permitir y controlar la extracción de agua almacenada en
el embalse, alcanzado las siguientes elevaciones: El. 1
326,00 nivel de agua máxima extraordinaria (NAME), El.
1 320,00 nivel de agua máxima de operación (NAMO), El.
1 292,60 nivel mínimo de operación (NAMINO).
Teniendo una capacidad útil de 25,05x106 m3, la
excavación de la lumbrera se realiza a partir de la
elevación 1 330,00 y tendrá una altura de 70,0m de
profundidad excavada en roca hasta llegar a la elevación 1
260,00, con una geometría en planta inscrita en una
circunferencia de 6,42m de diámetro con 3,21m de lado,
además está constituida por 3 estructuras rectangulares,
que conforman los vanos donde se deslizarán las
compuertas rodantes para la obturación de las galerías de
conducción.
1.3 Galería de Conducción
La obra de captación está constituida por 3 galerías, cuya
función es conducir el agua hacia la lumbrera hexagonal,
La obra de conducción para el agua potable es del tipo
subterránea y se realiza mediante un ducto de acero 1,42m
de diámetro y 458,90m de longitud, su objetivo es
conducir un gasto de diseño de 2,0m3/s hacia la plataforma
de bombas, la tubería inicia en el fondo de la lumbrera
hexagonal a la elevación 1 262,01 y concluye en la
Plataforma de Bombeo a la elevación 1 280,00. Para alojar
la tubería de agua potable y la tubería a presión de
generación, se construye un túnel de sección portal de
6,5m de ancho por 4,5m de alto y 365,00m de longitud, el
túnel será empacado en concreto revistiendo ambas
tuberías antes de interceptar con la pantalla impermeable
de la presa, posteriormente a la pantalla viajarán ambas
tuberías apoyadas en silletas de concreto.
1.5 Tubería de conducción para generación.
La conducción para generación iniciará a la elevación 1
286,50 y conducirá un gasto total de diseño de 17,64m3/s,
con un diámetro interno inicial de 3,50m y una reducción
de 2,5m, con longitud total de 410,10m.
1.6 Casa de Máquinas
El sistema de bombeo se proyecta con una minicentral
eléctrica, con casa de máquinas del tipo exterior que
contará con dos turbinas tipo Francis: para un gasto de
diseño de 16,14m3/s y 8,0 MW de potencia instalable y
1,50m3/s (gasto ecológico) y 0,75MW, obteniendo una
generación media anual de 29,15 GWh.
Figura 2. Isométrico de obras subterráneas de agua potable y generación
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Humberto Marengo Mogollón
2 CONDICIONES GEOLÓGICAS
2.1 Perfil geológico
La zona del proyecto se sitúa en parte de las sierras
Zapoteca, la mayor parte de los afloramientos de la sierra
corresponden a rocas metamórficas del Precámbrico,
sedimentarias y calcáreas del Mesozoico, sedimentarias,
ígneas y volcánicas del Terciario; cubriendo
indistintamente las unidades anteriores.
La litología donde se alojará el sistema de agua potable,
está constituido en su mayor parte por roca andesita
(TemA) y su desplante de cimentación se realizará en
conglomerado polimíctico (TpmCgp) el cual tiene las
mejores propiedades geomecánicas; durante las pruebas
exploratorias se identificó depósito de talud en la ladera
(Qdt) y depósitos aluviales (Qal) en el lecho del río.
2.2 Propiedades mecánicas de la roca
La roca andesita cuenta con un ángulo de fricción interna
de 35° y cohesión de 3,0MPa, el conglomerado
polimíctico tiene un ángulo de fricción de 37° y cohesión
de 5,4MPa.
En la tabla 1 se indica el rumbo y echado, en la tabla 2
se reportan las propiedades mecánicas del sistema de
fallas, en la tabla 3 se indican las propiedades mecánicas
de la roca y su clasificación geomecánica se presenta en la
tabla 4.
Tabla
1. Datos geológicos de las principales fallas
________________________________________________________
Sistema
de Fallas
Rumbo
Echado
______________________________________________
1 S1
N55°E
60°SE
2 S2
N20°W
88°SW
3 S3
N76°E
87°SE
4________________________________________________________
S0
N56°W
34°SW
Tabla
2. Propiedades mecánicas del sistema de fallas
______________________________________________
Ángulo de Fricción
Cohesión
Ø
MPa*
______________________________________________
Sistema de Falla
1 TemA-TemA
22°
0.00
2 TpmCgp - TpmCgp
28°
0.00
3______________________________________________
TpmCgp (arcilla)
31°
0.01
Tabla
3. Propiedades mecánicas de la roca
______________________________________________
Resistencia
Relación
Peso
Módulo de
compresión
Poisson volumétrico
Elasticidad
MPa
ν
kN/m3
MPa
______________________________________________
Unidad
Litológica
1 TemA
48
0.30
25
10044
2______________________________________________
TpmCgp
88
0.25
26
10528
Tabla
4. Clasificación geomecánica de la masa rocosa
______________________________________________
Unidad
RMR
Calidad de la roca
Litológica
______________________________________________
1 TemA
2 TpmCgp
40
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Figura 3. Sección geológica por el eje longitudinal de obras subterráneas de agua potable y generación
Ciudad de México, 7 y 8 de noviembre de 2013
Regular
Buena
3er Simposio Internacional sobre túneles y lumbreras en suelos y roca
3.2 Criterio Bidimensional
3 CRITERIOS DE ANÁLISIS GEOTÉCNICOS
3.1 Criterios semiempíricos
En el análisis geotécnico de la lumbrera hexagonal se
utilizaron diferentes criterios semiempíricos que se
reportan en la literatura técnica especializada, con el
propósito de determinar el valor de la carga de roca que
deberá ser aplicada al sistema de soporte.
a) Método de Terzaghi (1946). Se calcula la longitud de relajación (Hp) en función del estado de alteración
del macizo rocoso.
Para una roca moderadamente fragmentada
H P 0,35  ( B  Ht)
[1]
Para una roca en estado muy agrietado.
H P 1,1  ( B  Ht )
[2]
Para roca que fluye en estado plástico a gran
profundidad.
H P 4,5  ( B  Ht )
[3]
Siendo B el ancho de la excavación y Ht la altura de excavación, para el caso de la lumbrera hexagonal la dimensión mayor se considera como Ht.
b) Método de Barton (1976). Se calcula la altura de
relajación en función de algunos parámetros ligados a la
clasificación de la calidad del macizo rocoso.
Figura 4. Modelo de elemento finito bidimensional-PHASE
El criterio bidimensional adoptado consistió en realizar
un perfil vertical a través de la lumbrera, el método se
fundamenta en utilizar herramientas computacionales que
facilitan el uso del elemento finito, estudiando el
comportamiento de la excavación en el rango elástico,
con base al comportamiento se proporcionan los
mecanismos de estabilización necesarios como: anclas de
fricción, concreto lanzado y ademes.
El análisis se realiza mediante el uso del programa
PHASE, donde se indican los avances de excavación y su
verificación mediante el factor de resistencia, el cual es
calculado dividiendo la resistencia de la roca (basado en el
criterio de falla de Mohr Coulomb) entre el esfuerzo
inducido en cualquier punto de la malla.
3.3 Criterio Tridimensional
 Jn0,5 

 Jr  Q0,5 


H P 66 ,7
[4]
Dónde:
El criterio tridimensional se fundamenta en el método de
Goodman and Shi (1985). El cual está basado en la teoría
de bloques, formación natural de cuñas al intersectarse
distintos planos de discontinuidades, “fallas geológicas”,
formando bloques con salientes hacia la excavación (Fig.
5), el análisis se realiza mediante el uso del programa
UNWEDGE.
Hp: altura de relajación
Jn: índice de fracturamiento
Jr: índice de rugosidad de las discontinuidades
Q: índice de clasificación geomecánica de Barton
c) Método de Maldonado (1984). Se basa en la hipótesis de que un arco de carga de altura Hp se genera naturalmente en la masa de roca, siendo el material por debajo de este arco considerado como zona inestable.
H P 0,681  B
[5]
Figura 5. Modelo tridimensional –UNWEDGE
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Humberto Marengo Mogollón
4 METODOLOGÍA DE ANÁLISIS BIDIMENSIONAL
Figura 8. Factor de Resistencia-PHASE
Figura 6. Geometría de excavación
5) Se discretiza el elemento para generar la malla de elemento finito, resultando 2 299,0 elementos del tipo
triangulares (Fig. 4).
4.3 Definición de propiedades de los materiales
6) Se definen las propiedades del macizo rocoso.
7) Se definen las propiedades de los materiales que conforman el soporte primario (anclaje y concreto lanzado).
4.4 Asignación
8) Se asignan las propiedades del macizo rocoso.
9) Se asignan los esfuerzos iniciales.
10) Se indican las etapas de excavación.
11) Se asignan los soportes primarios.
Figura 7. Geometría de proyecto
El análisis geotécnico fue dirigido a la etapa de
excavación de la lumbrera para lo cual se utilizó el
programa comercial PHASE, el cual permite simular las
etapas de excavación (banqueos de diferente altura)
iniciando desde la elevación 1 330,00 y concluyendo a la
elevación 1 260,00, también tiene la ventaja de simular el
sistema de soporte; anclas y concreto lanzado. A
continuación se presenta la secuencia utilizada para
realizar el modelo geotécnico.
4.1 Geometría
1) Se determina la geometría del área de excavación (Fig.
6).
2) Se determina la geometría del perfil del terreno.
3) Se determina los avances de excavación, para este caso
se estudiaron alturas de 3,0m y 6,0m.
4.2 Restricciones
4) Se determina el tipo de apoyo o restricciones de desplazamiento en dirección “X” y “Y”.
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4.5 Análisis
12) Se verifican los esfuerzos y las deformaciones presentadas durante cada etapa de excavación.
13) Se calcula el factor de resistencia, el cual es determinado dividiendo la resistencia de la roca (basado en el
criterio de falla de Mohr Coulomb) entre el esfuerzo
actuante por proceso de relajación, en el rango elástico.
14) En caso de que el factor de resistencia sea menor a la
unidad, se proporcionan los elementos estabilizadores
para aumentar dicho factor. Para este caso obtuvieron
tratamientos de anclas de fricción de 1,0in de diámetro de 6m y 12m de longitud, en patrones de 2x2m y
1,50 x 1,50m respectivamente, así como, concreto
lanzado de 0,15m en toda la longitud de excavación.
5 METODOLOGÍA DE ANÁLISIS
TRIDIMENSIONAL
Para realizar el análisis geotécnico que considera la
formación de cuñas en tercera dimensión se utiliza el
programa comercial UNWEDGE, el cual permite obtener
la presión de diseño y el sistema de soporte necesario
Lumbrera para toma de agua potable en Presa “Paso Ancho”, Oaxaca
debido a la formación de cuñas de roca, cuya génesis es la
intersección de las discontinuidades presentadas en la
masa de roca circundante a la lumbrera hexagonal.
Algunas de las etapas de la modelación de la cuña máxima
probable se enlistan a continuación:
5.1 Geometría
1) Se dibuja la geometría del área de excavación (Fig. 6).
2) Se indica la longitud y orientación de la excavación.
5.2 Definición de propiedades de los materiales
3) Se define las propiedades de resistencia de las fallas.
4) Se define el estereograma de las fracturas de acuerdo a
los levantamientos geológicos (Tabla 2).
5) Se define las propiedades de los materiales que conforman el soporte primario (anclaje y concreto lanzado).
5.3 Asignación
6) Se asignan los soportes primarios.
5.4 Análisis
7) Se determina la geometría de la cuña utilizando la teoría de bloque y asumiendo falla plana.
8) Se determinan las componentes vectoriales de la fuerza
actuante resultante de la cuña.
9) Se determina la dirección del deslizamiento de la cuña.
10) Se determina la fuerza normal en cada plano de la cuña.
11) Se calcula la fuerza resistente.
12) Se calcula el factor de seguridad el cual se define mediante el cociente entre la fuerza resistente y la fuerza
actuante en el plano de deslizamiento.
13) En caso de que el factor de seguridad sea menor de
1,50 se proporcionan los elementos estabilizadores
(anclas, concreto lanzado, ademe) para aumentar dicho factor.
6 CONCLUSIONES
En este trabajo se presenta la solución de análisis
geotécnico de una estructura que se construye típicamente
en el exterior, que implico complicaciones del tipo
estructural, sustituyéndola por una torre subterránea en
lumbrera, lo cual proporcionó un comportamiento
aceptable durante el efecto sísmico, ya que forma parte
conjunta del macizo rocoso.
Se presentan alternativas de análisis geotécnico, desde
los métodos empíricos, que en algunos casos representan
los criterios más conservadores, hasta los métodos que
hacen uso del elemento finito dando estos más ventajas en
comparación con los métodos empíricos, permitiendo
modelar la heterogeneidad del medio a través de diferentes
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Figura 9. Modelo de elemento finito 3D –SAP2000
propiedades mecánicas del macizo rocoso y formación de
cuñas de roca generados por la intersección de planos de
falla, estas alternativas de análisis geotécnico simplifican y
detallan el comportamiento de una excavación en
diferentes etapas de la construcción, presentan la variación
del esfuerzo contra deformación durante el proceso de
excavación y proporcionan los elementos de soporte
necesarios para la correcta estabilización. El análisis y
diseño estructural se realiza utilizando el programa de
computo SAP2000, donde se simula la geometría de la
lumbrera mediante elementos tipo Shell con 8615
elementos y dimensiones de 0,50m x 0,50m (Marengo
2013).
7 REFERENCIAS
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interacción roca-revestimiento. México: Instituto de
Ingeniería, UNAM.
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Geotechnical Engineering.
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Shafts in rock. US Army Corps of Engineers.
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