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FLUJO A TRAVÉS DEL MACIZO ROCOSO DE LA MARGEN IZQUIERDA DE
FUNDACIÓN DE LA PRESA PORCE II - IMPLICACIONES DEL FLUJO EN LA
SEGURIDAD DE LA PRESA
ROBINSON ARTURO MIRANDA GÓMEZ
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA – SEDE MEDELLÍN
FACULTAD DE MINAS
MAESTRÍA EN INGENIERÍA – ÁREA GEOTECNIA
2005
Flujo a través del macizo rocoso de la margen izquierda de fundación de la presa
Porce II - Implicaciones del flujo en la seguridad de la presa
Robinson Arturo Miranda Gómez
Trabajo de investigación para optar el título de
Master en ingeniería – Área geotecnia
Directores
Fabio Villegas Gutierrez
Ingeniero civil, MSc.
Oswaldo Ordóñez Carmona
Geólogo, MSc, PhD.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA – SEDE MEDELLÍN
FACULTAD DE MINAS
MAESTRÍA EN INGENIERÍA – ÁREA GEOTECNIA
2005
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IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIÓN ...........................................................................................10
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA........................................................12
2. JUSTIFICACIÓN........................................................................................14
3. GENERALIDADES ....................................................................................17
3.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DE LAS OBRAS ......................................17
3.2 ASPECTOS HIDROLÓGICOS Y CLIMÁTICOS..................................19
3.3 ASPECTOS SOCIOECONÓMICOS ...................................................19
3.4 DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA PRESA .........................................20
3.4.1 Criterios de diseño de la presa ......................................................20
3.4.2 Instrumentación .............................................................................25
3.4.3 Características geológicas y geotécnicas generales de la
fundación ................................................................................................26
3.4.4 Galerías de drenaje .......................................................................28
3.4.5 Cortina de inyecciones y cortina de drenaje ..................................29
4. METODOLOGÍA ........................................................................................31
4.1 Trabajo de campo ...............................................................................31
4.2 Trabajo de oficina................................................................................33
5. ANÁLISIS FISICOQUÍMICO DEL AGUA ...................................................35
5.1 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS DEL MATERIAL DE FUNDACIÓN ..35
5.2 SITIOS DE MUESTREO Y PARÁMETROS OBTENIDOS ...................38
5.3 RESULTADOS DE LOS ENSAYOS.....................................................40
5.4 DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DE LOS PARÁMETROS ........................44
5.4.1 Determinación de la procedencia del agua....................................44
5.4.2 Arrastre de partículas.....................................................................53
6. ANÁLISIS DE LOS REGISTROS DE LA INSTRUMENTACIÓN................58
6.1. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA DE INSTRUMENTACIÓN58
6.1.1 Piezómetros eléctricos...................................................................59
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6.1.2 Piezómetros de tubo abierto ..........................................................60
6.1.3 Puntos de control topográfico ........................................................63
6.1.4 Vertederos de aforo y puntos de aforo...........................................64
6.2. ANÁLISIS DE LAS LECTURAS DE LOS INSTRUMENTOS...............65
6.2.1 Análisis de la subpresión ...............................................................66
6.2.2 Análisis de los desplazamientos ....................................................73
6.2.3 Análisis de las infiltraciones ...........................................................78
7. DETERMINACIÓN DE LA PERMEABILIDAD............................................81
7.1 PERMEABILIDAD A PARTIR DE ENSAYOS LUGEON.......................81
7.1.1 Ensayos efectuados durante la etapa de diseño ...........................81
7.1.2 Ensayos efectuados durante el trabajo de investigación ...............85
7.2 PERMEABILIDAD A PARTIR DE LOS AFLORAMIENTOS DE AGUA Y
TRAYECTORIAS DE FLUJO .....................................................................91
7.2.1 Definición del tiempo de respuesta (time lag) ................................92
7.2.2 Definición de la trayectoria de flujo y cálculo de la permeabilidad. 92
7.3 PERMEABILIDAD TEÓRICA ..............................................................94
8. ANÁLISIS INTEGRADO DE LA INFORMACIÓN.......................................97
8.1 RESUMEN DE LOS PRINCIPALES HALLAZGOS ..............................97
8.2 SOLUCIÓN CONCEPTUAL ................................................................99
9. CONCLUSIONES ....................................................................................102
9.1 CONCLUSIONES DE TIPO TÉCNICO ..............................................102
9.1.1 Conclusión general ......................................................................102
9.1.2 Conclusiones específicas ............................................................102
9.2 CONCLUSIONES DE TIPO ACADÉMICO.........................................105
9.2.1 Conclusiones generales...............................................................105
9.2.2 Conclusiones específicas ............................................................106
10. RECOMENDACIONES ..........................................................................107
11. REFERENCIAS .....................................................................................109
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LISTA DE FIGURAS
Figura 3.1. Localización general de la central hidroeléctrica Porce II. ...........18
Figura 3.2. Principales obras de la central hidroeléctrica Porce II. ................18
Figura 3.3. Planta general de la presa Porce II..............................................22
Figura 3.4. Sección por la abscisa 223 m. .....................................................23
Figura 3.5. Sección longitudinal de la presa Porce II .....................................24
Figura 3.6. Corte geológico estructural por el eje de la presa........................28
Figura 5.1. Localización de los sitios de muestreo.........................................39
Figura 5.2 Análisis fisicoquímico del agua – pH.............................................45
Figura 5.3 Análisis fisicoquímico del agua – Alcalinidad................................46
Figura 5.4 Análisis fisicoquímico del agua – Conductividad. .........................47
Figura 5.5. Análisis fisicoquímico del agua – Temperatura............................48
Figura 5.6. Análisis fisicoquímico del agua – Cloruros...................................49
Figura 5.7. Análisis fisicoquímico del agua – Dureza total.............................51
Figura 5.8. Análisis fisicoquímico del agua – Dureza de calcio. ....................51
Figura 5.9. Análisis fisicoquímico del agua – Dureza de magnesio. ..............51
Figura 5.10. Análisis fisicoquímico del agua – Calcio. ...................................52
Figura 5.11. Análisis fisicoquímico del agua – Magnesio...............................52
Figura 5.12. Análisis fisicoquímico del agua – Potasio. .................................53
Figura 5.13. Análisis fisicoquímico del agua – Turbiedad. .............................55
Figura 5.14. Análisis fisicoquímico del agua – Sólidos totales. ......................56
Figura 5.15. Análisis fisicoquímico del agua – Sólidos suspendidos. ............56
Figura 5.16. Análisis fisicoquímico del agua – Sólidos disueltos. ..................57
Figura 6.1. Localización de los piezómetros eléctricos. .................................60
Figura 6.2. Localización de los piezómetros de tubo abierto. ........................61
Figura 6.3. Localización de los puntos de control topográfico. ......................64
Figura 6.4. Localización de los vertederos de aforo (MI) y puntos de aforo...65
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Figura 6.5. Distribución de la subpresión con nivel normal de embalse.
Sección de la abscisa 223. ............................................................................67
Figura 6.6. Distribución de la subpresión con nivel normal de embalse.
Sección por el acceso a las galerías de drenaje............................................68
Figura 6.7. Registro de los piezómetros eléctricos localizados en la
fundación, abscisa 223. .................................................................................70
Figura 6.8. Registro de los piezómetros de tubo abierto localizados en la
galería de acceso de la cota 850.30 msnm. ..................................................71
Figura 6.9. Registro de los piezómetros de tubo abierto localizados en la
galería de acceso de la cota 889.30 msnm. ..................................................72
Figura 6.10. Registro de los puntos de control topográfico localizados en la
zona de investigación - cresta de la presa. ...................................................75
Figura 6.11. Registro de los puntos de control topográfico localizados en la
zona de investigación - macizo rocoso. ........................................................76
Figura 6.12. Posición actual de los puntos de control topográfico. ................77
Figura 6.13. Registro de los vertederos de aforo. ..........................................79
Figura 6.14. Registro de caudales en los puntos de aforo.............................80
Figura 7.1. Localización de las perforaciones que mostraron alta
permeabilidad en la margen izquierda. ..........................................................83
Figura 7.2 Resultados del ensayo Lugeon efectuado en la perforación PP169.................................................................................................................83
Figura 7.3 Resultados del ensayo Lugeon efectuado en la perforación PP170.................................................................................................................84
Figura 7.4 Resultados del ensayo Lugeon efectuado en la perforación PP172.................................................................................................................84
Figura 7.5. Esquema del ensayo de permeabilidad Lugeon. .........................85
Figura 7.6. Resultados del ensayo Lugeon para el intervalo comprendido
entre 3.0 y 4.0 m. ...........................................................................................88
Figura 7.7. Resultados del ensayo Lugeon para el intervalo comprendido
entre 4.0 y 5.0 m. ...........................................................................................89
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Figura 7.8. Resultados del ensayo Lugeon para el intervalo comprendido
entre 5.0 y 6.0 ................................................................................................90
Figura 7.9. Determinación del tiempo de respuesta de las infiltraciones. ......93
Figura 7.10. Definición de la trayectoria del flujo en la fundación. .................94
Figura 7.11. Influencia de la abertura de las discontinuidades y su
espaciamiento en el coeficiente de permeabilidad (Louis 1967)....................95
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LISTA DE TABLAS
Tabla 4.1. Descripción general de las actividades desarrolladas ..................31
Tabla 5.1. Composición química del cemento de la cortina de inyecciones ..37
Tabla 5.2. Descripción de los sitios de muestreo para el análisis
fisicoquímico ..................................................................................................38
Tabla 5.3. Parámetros fisicoquímicos obtenidos de las muestras de agua. ..39
Tabla 5.4. Resultados fisicoquímicos de las muestras obtenidas el 30 de
septiembre de 2004 (invierno). ......................................................................41
Tabla 5.5. Resultados fisicoquímicos de las muestras obtenidas el 2 de
febrero de 2005 (verano). ..............................................................................42
Tabla 5.6. Resultados fisicoquímicos de las muestras obtenidas el 17 de
mayo de 2005 (invierno). ...............................................................................43
Tabla 6.1. Localización de los piezómetros eléctricos instalados en la zona
de investigación. ............................................................................................62
Tabla 6.2. Localización de los piezómetros de tubo abierto. .........................62
Tabla 6.3. Características de instalación de los puntos de control topográfico
localizados en la zona de interés. ..................................................................63
Tabla 6.4. Localización de los vertederos de aforo (M-I) y puntos de aforo..65
Tabla 6.5. Porcentaje de reducción de la subpresión en la abscisa 223,
según los registros de los piezómetros eléctricos..........................................69
Tabla 6.6. Porcentaje de reducción de la subpresión en las galerías de
acceso, según los registros de los piezómetros de tubo abierto....................69
Tabla 6.7 Desplazamiento actual registrado en los puntos de control
topográfico. ....................................................................................................74
Tabla 7.1. Categorías de clasificación del espaciamiento entre
discontinuidades. ...........................................................................................96
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LISTA DE ANEXOS
Anexo 1.
Resultado de los análisis fisicoquímicos del agua.
Anexo 2.
Registro fotográfico.
Anexo 3.
Registro de campo de los ensayos Lugeon efectuados durante
el trabajo de investigación.
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RESUMEN
En este trabajo de investigación se evalúa la seguridad de la presa Porce II,
a raíz de los afloramientos de agua detectados en el macizo rocoso de la
margen izquierda. Para ello, se efectúan una serie de análisis que permiten
conocer el comportamiento de la presa frente dos factores que amenazan su
seguridad: subpresión e infiltraciones incontroladas.
La subpresión se analiza mediante los registros de la instrumentación
geotécnica, comparando los resultados obtenidos con los criterios asumidos
durante el diseño de la presa. Los afloramientos de agua también se analizan
mediante los registros de la instrumentación, y adicionalmente, mediante el
análisis de la permeabilidad del macizo rocoso, y el análisis fisicoquímico del
agua infiltrada.
Con base en los resultados de los análisis se obtiene un diagnóstico del
estado actual de la presa, y se presenta una alternativa de solución
conceptual para los hallazgos detectados.
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INTRODUCCIÓN
La presa Porce II inició su operación en febrero de 2001 a partir de lo cual
Empresas Públicas de Medellín E.S.P, propietaria de esta estructura, inició
un monitoreo rutinario y continuo de las obras. Dieciocho meses después de
iniciada la operación, dicho monitoreo permitió detectar afloramientos de
agua en la zona alta y media del macizo rocoso de la margen izquierda, unos
5 m aguas abajo de la presa, lo que determinó la necesidad de investigar
sobre las implicaciones del flujo en la seguridad de la presa.
Este trabajo de investigación se desarrolló mediante dos tesis de grado: en la
primera, se analizan y evalúan los factores que producen el flujo, y en la
segunda, se analizan las implicaciones que tiene dicho flujo en la seguridad
de la presa. Para llevar a cabo esta tesis de grado, es decir, la segunda, se
revisó, evaluó y analizó toda la información generada en el estudio de la roca
de fundación, tanto la obtenida en las etapas de diseño y construcción de la
presa, como la obtenida durante este trabajo de investigación; se determinó
la procedencia de los afloramientos de agua y se verificó si se presenta
arrastre del material de relleno de las discontinuidades; se instaló
instrumentación adicional y se analizaron los registros de los instrumentos
tanto existentes como adicionales; se obtuvo y comparó la permeabilidad del
macizo rocoso a partir de tres procedimientos; se obtuvo un diagnóstico
general con base en los hallazgos obtenidos en ambas tesis de grado; y por
último,
se planteó una alternativa de solución para los hallazgos
identificados.
Las presas, como la de Porce II, son obras civiles complejas que demandan
análisis detallados durante todas sus etapas, incluyendo la de operación, y
es precisamente por el riesgo que estas estructuras representan para los
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demás componentes de la central hidroeléctrica, para el sistema eléctrico
nacional, y aún más, para las poblaciones e infraestructura localizadas aguas
abajo, las cuales se verían gravemente afectadas en el caso de un
rompimiento de la presa. Aún sin detectar comportamientos anormales, es
necesario efectuar revisiones periódicas de las presas, por muchas razones,
entre
ellas,
la
constante
evolución
de
los
criterios
aceptados
internacionalmente, y, en gran medida a las nuevas experiencias de los
ingenieros que participan en diferentes proyectos a nivel mundial.
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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En agosto de 2002 se detectaron dos sitios con afloramiento de agua, uno en
la parte alta y otro en la parte media de la margen izquierda, aguas abajo de
la presa Porce II, específicamente, en los sitios descritos a continuación. Ver
fotografías 1 a 4.
•
Sitio 1: cota 875, abscisa 140 aproximadamente.
•
Sitio 2: cota 855, abscisa 175 aproximadamente.
Sitio 1
Sitio 2
Fotografía 1: Vista general de la Fotografía 2: Vista general de la
presa y localización de los sitios que margen izquierda – Zona de
investigación.
presentan afloramiento de agua.
Fotografía 3: Detalle del sitio 1, cota Fotografía 4. Detalle del sitio 2, cota
875, abscisa 140 aproximadamente.
855, abscisa 175 aproximadamente.
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El flujo del agua a través de la fundación de una presa de concreto, puede
desarrollar dos fenómenos asociados que amenazan su seguridad, estos
son:
•
Subpresión: Es una presión ascendente, ocasionada por el flujo de agua
por debajo de una estructura, que trata de levantarla. Las consecuencias
de la subpresión en una presa de concreto son principalmente
movimientos diferenciales o totales de la presa, apertura de las
discontinuidades de la roca de fundación, y aumento de las infiltraciones.
Uno de los criterios adoptados durante el diseño de la presa Porce II,
considera que la subpresión debe reducirse en 2/3 respecto a la cabeza
máxima de presión ocasionada por el embalse (Integral S.A. 1998).
•
Infiltración incontrolada: Es el paso incontrolado del agua a través de las
discontinuidades y/o material rocoso.
El flujo de agua a través de la
fundación y los estribos puede darse por deterioro de la roca de
fundación, por una inadecuada cortina de inyecciones, por un insuficiente
o mal funcionamiento de la cortina de drenaje, o por discontinuidades no
tratadas debidamente. La consecuencia del flujo de agua incontrolado es
principalmente la erosión de la fundación, debido al lavado de los
materiales llenantes de las discontinuidades de la roca, lo que ocasiona
desconfinamiento y posiblemente asentamiento del macizo rocoso.
Para controlar la subpresión y las infiltraciones, la fundación de la presa
Porce II cuenta con una cortina de inyecciones y una cortina de drenaje. La
cortina de inyecciones llena los vacíos de la roca de fundación, creando una
barrera y contribuyendo a impermeabilizar la fundación. La cortina de drenaje
recoge el agua que pasa a través ó alrededor de la cortina de inyecciones, y
la evacua de manera controlada.
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2. JUSTIFICACIÓN
Las presas son obras civiles complejas que demandan análisis detallados
durante las etapas de diseño, construcción, y operación, con el fin de obtener
una estructura funcional, económica, durable, y segura, dado el riesgo que
estas estructuras representan para las personas, infraestructura y bienes
ubicados aguas abajo de las mismas.
Estudios estadísticos han demostrado que aunque el porcentaje de falla de
presas ha bajado considerablemente en las tres últimas décadas, estas
estructuran siguen fallando. Es destacable el hecho de que más del 70% de
las fallas de grandes presas se han registrado en sus primeros 10 años de
vida. La principal causa de falla de las presas de concreto son problemas
asociados a la fundación, con un 57%, de los cuales, un 21% ha sido por
erosión de la fundación, y otro 21% ha sido por problemas de resistencia al
corte de la roca de fundación (Boletín ICOLD No 99, 1995).
Casos clásicos sobre fallas de presas de concreto reportados en la literatura
son los de la presa Malpasset en Francia y, recientemente, el de la presa
Camará, en Brasil.
La presa de concreto Malpasset formaba un embalse de 22.0 millones de
m3, y tenía una altura de 61 m. Su operación inició en abril de 1954 y su falla
se produjo en diciembre de 1959, ocasionando 421 muertes. El profesor
Karl Terzaghi comentó que “el estribo izquierdo de la presa falló,
aparentemente, deslizándose a lo largo de un plano débil y continuo, el cual
tenía una extensión considerable”. Este plano de debilidad en la roca del
estribo izquierdo estaba a 30 metros, aguas abajo de la presa, el cual no fue
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identificado como una amenaza para la seguridad de la presa en la etapa de
diseño. La subpresión generó el desconfinamiento de una cuña de roca, y
posteriormente, accionó la falla de la presa.
La presa Camará era de concreto compactado con rodillo, formaba un
embalse de 26.5 millones de m3, y tenía una altura de 55 m. Se localizaba en
el estado de Paraiba al este de Brasil; su construcción terminó en febrero de
2002 y su falla se produjo en junio de 2004. La falla se presentó por el
estribo izquierdo, y fue atribuida
al deficiente tratamiento de las
discontinuidades de la roca de fundación, también, a la cantidad excesiva de
discontinuidades paralelas a la superficie del terreno. Lo anterior se conjugó
con una inadecuada caracterización geológica y geotécnica del sitio de
presa, procesos constructivos deficientes y materiales de baja calidad. La
falla se produjo por erosión de la fundación, debido a que las infiltraciones
incontroladas
lavaron
el
material
llenante
de
las
discontinuidades,
ocasionando el desconfinamiento de los bloques de roca del estribo
izquierdo.
Teniendo en cuenta que la presa Porce II tiene cuatro años de operación,
que en los primeros 10 años se presenta el mayor porcentaje de los
problemas en presas (Boletín ICOLD No 99, 1995), y que se han detectado
afloramientos de agua en la margen izquierda de la presa Porce II, Empresas
Públicas de Medellín E.S.P., conciente de lo anterior, decidió desarrollar
estudios detallados mediante un trabajo de investigación, que ayude a
esclarecer las anomalías detectadas y proponga soluciones a los problemas
que se detecten.
En enero de 2004, Empresas Públicas de Medellín E.S.P. obtuvo el concepto
de un experto, quien concluyó lo siguiente:
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“En la parte alta de la margen izquierda se presentan infiltraciones a través
de discontinuidades en la fundación, que se han incrementado ligeramente
con el tiempo. Esta situación ocurre en casos similares por cuanto se van
abriendo inelásticamente las fracturas o se van lavando lentamente los
materiales llenantes. La situación no es peligrosa para la presa, a menos
que se observe un incremento progresivo en la subpresión, relacionado con
estas discontinuidades, que aparezca agua con sedimentos o se incrementen
notablemente los caudales.
En caso que se observe un deterioro de la
situación sería necesario efectuar un trabajo de perforaciones de drenaje
adicionales, desde las galerías y desde la parte superior de la presa. Por
ahora no se considera necesaria esta acción y la presa se observa segura....”
(Villegas, 2004)
No obstante haberse obtenido dicho concepto, y haberse diseñado la presa
Porce II atendiendo todos los aspectos del mejor "estado del arte", existe la
posibilidad, de que exista una deficiencia en su fundación que pueda dar
lugar a una falla1 o a un incidente2, cuyas implicaciones tanto en la estructura
como en la zona localizada aguas abajo de la presa pueden ser muy graves.
1
Falla: Colapso, rotura o movimiento de una parte del cuerpo o fundación de la presa. La falla de una
presa genera liberación de un gran volumen de agua del embalse ocasionado inundación aguas abajo
de ella, con las consecuentes pérdidas de vidas humanas, infraestructura y propiedades.
2
Incidente: Daño o mal funcionamiento de la presa sin que ocasione su falla.
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3. GENERALIDADES
3.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DE LAS OBRAS
La presa de Concreto Compactado con Rodillo (RCC) Porce II, hace parte
de la
central hidroeléctrica que lleva el mismo nombre, propiedad de
Empresas Públicas de Medellín E.S.P. Los principales componentes de la
central son los siguientes: una presa de gravedad de 123 m de altura de
RCC, con un lleno de refuerzo en tierra y roca para cerrar la margen derecha
del cañón del río, un túnel de 4,4 km de longitud y una casa de máquinas
subterránea que alberga tres turbinas Francis con una potencia instalada de
405 MW. La presa se terminó de construir en diciembre de 2000, el llenado
del embalse se inició en febrero de 2001, y la central hidroeléctrica entró en
operación en el segundo trimestre de 2001.
El proyecto se localiza en el departamento de Antioquia, 120 Km al noreste
de Medellín, en jurisdicción de los municipios de Yolombó, Amalfi y Gómez
Plata. En la figura 3.1 se muestra la localización general del proyecto.
En el sitio denominado El Mango, 14 kilómetros antes de llegar a la central
de Guadalupe IV de propiedad de Empresas Públicas de Medellín E.S.P., y
donde se bifurca la vía principal hacia los municipios de Amalfi y Anorí, se
construyó la presa del proyecto, en un estrechamiento del río al iniciar su
descenso hacia la confluencia con el río Guadalupe, en donde existe un
cañón de ladera muy pendiente en la margen izquierda y de topografía más
suave en la margen derecha. Las principales obras del proyecto se ilustran
en la figura 3.2.
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ANORÍ
TOLEDO
CAMPAMENTO
Futuro
Embalse
Proyecto
Porce III
YARUMAL
SAN ANDRÉS DE
CUERQUIA
45
ANGOSTURA
24
SAN JOSÉ DE
LA MONTAÑA
13
GUADALUPE
6
324
6
BELMIRA
SANTA ROSA Río Guadalupe
DE OSOS
ENTRERRÍOS
14
BELLO
OCEANO
PACÍFICOCALI
EL MANGO
EL PLAN
EL SALTO
GÓMEZ PLATA
MEDELLÌN
BOGOTÁ
COLOMBIA
LA CANCANA
ECUADOR
BRASIL
PERÚ
45
LA CORTADA
YOLOMBÓ
POPALITO
15
0
BARBOSA
10
EL HATILLO
CONCEPCIÓN
GIRARDOTA
GUARNE
EMBALSE
Embalse de
San Lorenzo
ALEJANDRÍA
Embalse de
El Peñol
COPACABANA
MEDELLÍN
Futuro
Embalse
Proyecto
Riachón
VENEZUELA
SITIO DEL
PROYECTO
PANAMÁ
Río GrandeRÍO MEDELLÍN
13
CISNEROS
GAVINO
MOCORONGO
BOTERO
16
SANTO
6
EL MOLINO
DOMINGO SAN ROQUE
DON MATÍAS
8
8
CARTAGENA
AMALFI
22
7
SAN PEDRO
Embalse de
Riogrande
6
MAR CARIBE
BARRANQUILLA
13
HOYORRICO
7
RÍO CHICO
11
RÍ
O
PO
RC
E
8
Embalse
Embalse
7
de
de
SAN MATÍAS
Miraflores
Troneras 14
CAROLINA
9
RÍO GRANDE
667
11
IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
CIUDAD Y PUEBLOS
SITIOS
LÍNEA DEL FERROCARRIL
RÍOS
CARRETERAS SIN PAVIMENTA
CARRETERAS PAVIMENTADAS
SAN
RAFAEL
SAN VICENTE
Embalse de
Playas
GUATAPE
Figura 3.1. Localización general de la central hidroeléctrica Porce II.
PRESA DE RCC
PRESA DE RCC
Figura 3.2. Principales obras de la central hidroeléctrica Porce II.
FLUJO A TRAVÉS DEL MACIZO ROCOSO DE LA FUNDACIÓN DE LA PRESA PORCE II
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3.2
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LA SEGURIDAD DE LA PRESA
ASPECTOS HIDROLÓGICOS Y CLIMÁTICOS
En general, la precipitación en el sitio de la presa Porce II se distribuye en
dos períodos durante el año, uno seco y otro lluvioso; los meses más
lluviosos son mayo y octubre. La precipitación promedio anual es de 2310
mm. La zona de mayor precipitación de la cuenca es precisamente el sitio de
la presa, la cual disminuye progresivamente hacia aguas arriba de la cuenca.
La temperatura está determinada básicamente por la altitud y es, por lo tanto,
muy variada debido a las variaciones topográficas; la temperatura media
anual es de 22.8 °C a una altura de 980 msnm. La humedad promedio es,
en general, alta aunque presenta variaciones; la humedad promedio anual es
de 80.8% en el sitio de presa.
3.3
ASPECTOS SOCIOECONÓMICOS
Para efectos de este trabajo de investigación, la infraestructura y núcleos
poblados que interesan son los localizados aguas abajo de la presa, dado
que serían los afectados en caso de una eventual falla, siendo los siguientes:
Casa de Máquinas Porce II, Puente Acacias, La Bramadora, El Chispero, El
Astillero, Los Trozos, Desembocadura del río Mata, Dos Bocas, Pueblo
Nuevo, El Pato, y Zaragoza. Existen otros centros poblados menores en
jurisdicción de los municipios de Amalfi, Anorí, Zaragoza y El Bagre.
Los poblados mencionados están formados, en gran proporción, por familias
de mineros que no tienen un carácter permanente y forman poblaciones
flotantes que se desplazan a lo largo de la ribera del río, que constituye su
única fuente de trabajo y, por lo tanto, de ingresos.
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LA SEGURIDAD DE LA PRESA
3.4 DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA PRESA
La presa es de gravedad, de concreto compactado con rodillo. Su altura total
en la sección principal es de 123 m, y el volumen total de RCC colocado fue
de 1 300 000 m3. La cresta se encuentra en la cota 928 msnm, y tiene una
longitud de 455 m. La presa tiene adicionalmente un lleno de cierre de tierra
y roca en la margen derecha, cuyo volumen total es de 1 485 000 m3. En las
figuras 3.3, 3.4 y 3.5 se muestran la planta, la sección transversal y una
sección longitudinal de la presa.
3.4.1 Criterios de diseño de la presa
El criterio básico de diseño de la presa fue garantizar que la estructura actúe
como una presa de gravedad convencional, capaz de resistir las cargas
dinámicas y estáticas transmitidas. A continuación se describen los criterios
para atender tanto las cargas estáticas como dinámicas a las que se verá
sometida la presa, así mismo, los criterios para atender las solicitaciones
térmicas.
•
Criterios para atender cargas estáticas
Los criterios básicos para atender la carga estática son (EE.PP.M., 1999):
Garantizar la estabilidad estática de la presa a cargas que incluyan la
máxima carga hidrostática a nivel de la cresta, carga muerta y carga viva,
subpresión con reducción bajo las galerías de drenaje y máxima acumulación
de sedimentos. La presa deberá ser capaz de soportar las cargas descritas
sin generación de esfuerzos de tracción, y resistir esfuerzos de compresión
que deberán estar por debajo de la resistencia de diseño, con un factor de
seguridad no menor a 4.
•
La subpresión en la fundación se considera que se reduce 2/3 de la
cabeza máxima de presión.
Igualmente, dentro de la presa, la
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LA SEGURIDAD DE LA PRESA
subpresión se reducirá por efecto de las galerías de drenaje a 1/3 de
la máxima cabeza de agua en cualquier posición.
•
Los parámetros de resistencia al corte en las juntas horizontales entre
capas de RCC deberán ser equivalentes a una cohesión de 1 MPa y a
un ángulo de fricción de 45°.
•
Los esfuerzos horizontales máximos producidos por disipación del
calor del macizo de RCC no serán superiores a 1,8 MPa.
•
El espaciamiento entre juntas de contracción se definió considerando
un factor de seguridad de 1,5.
•
Criterios para atender cargas dinámicas
Los criterios considerados para atender las solicitaciones dinámicas son los
siguientes (EE.PP.M., 1999):
•
Para los análisis dinámicos se consideró a nivel de roca, una
aceleración horizontal de 0.18 g y una vertical de 0.12 g obtenidas del
análisis de riesgo sísmico revisado del proyecto.
•
La presa se sometió al efecto de los sismos de diseño bajo
condiciones de operación del nivel del embalse, cargas muertas y
carga de sedimento; de igual manera, se consideró una fundación
compresible y subpresión normal.
•
Los esfuerzos de tensión se calcularon por medio de un modelo
bidimensional.
Se consideraron diferentes combinaciones de
aceleración vertical y horizontal para cada sismo de diseño, de tal
manera que se obtuvo la combinación más crítica para los esfuerzos,
y se hizo una distribución del esfuerzo máximo a tracción en todo el
cuerpo de la presa. El esfuerzo vertical instantáneo considerado para
el diseño, corresponde a aquel valor que solamente era excedido en
un 20% de los casos. El esfuerzo dinámico vertical en juntas fue de
1,8 MPa.
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IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
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1'24
4
1'24
4.70
0N
N
0N
.600
4.50
N
0
4.20
0
4.40
1'24
1'24
0N
4.30
1'24
1'24
835
805
N
830
0
00 E
890
870
881.5
858
86
150
100
200
250
300
350
400
450
550
500
600
0
92
0
90
8
92
50
881.6
CONVENCIONES
00 E
ATA
G
830
CONTORNO
DE LA PRESA
UIA
831
,80
RÍO PORCE
EJE DE
LA PRESA
EJE DEL
VERTEDERO
881.
700
E
881
800
Figura 3.3. Planta general de la presa Porce II
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9m
NW
928 msnm
922,70 msnm
0.1
889.3 msnm Galeria superior
1
0.75
1
EJE DE LA PRESA
RCC
850.3 msnm Galeria intermedia
808.msnm Galeria inferior
Cortina de
inyecciones
Cortina de
drenaje
Figura 3.4. Sección por la abscisa 223 m.
FLUJO A TRAVÉS DEL MACIZO ROCOSO DE LA FUNDACIÓN DE LA PRESA PORCE II
23
EJE DEL
SW
IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
940
Cresta de la presa
Muro parapeto
928.00
NE
EJE DE LA TORRE
DE CAPTACIÓN
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VERTEDERO
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Galeria en el núcleo de la presa 889.30
890
ESTRIBO IZQUIERDO
ESTRIBO DERECHO
Galeria en el núcleo de la presa 850.30
840
Descarga de Fondo
CONVENCIONES
GALERIA
DEL NUCLEO
CONTORNO
DE LA PRESA
790
TÚNEL DE CONDUCCIÓN
VENTANA DE CONSTRUCCIÓN N°2
EJE DEL
RÍO PORCE
VERTEDERO
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
650
600
Figura 3.5. Sección longitudinal de la presa Porce II
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•
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IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
La estabilidad horizontal al deslizamiento de la presa bajo el sismo de
diseño se verificó por un análisis de cuerpo rígido considerando una
aceleración sísmica pseudostática. La subpresión se tomó en forma
similar al caso estático.
•
Criterios para atender las solicitaciones térmicas
En razón del contenido relativamente alto de material cementante en la
mezcla, se llevó a cabo un análisis térmico detallado durante construcción y
operación de la presa. Se llevaron a cabo análisis tridimensionales de
agrietamiento para diferentes etapas de construcción, como también para
años después de terminada la misma, considerando diferentes distancias
entre las juntas de contracción, y varias temperaturas de colocación del RCC.
Los resultados del análisis mostraron que se requería enfriamiento del RCC
para obtener una temperatura de colocación en la presa de 16° C. Esto fue
posible con preenfriamiento del agregado grueso a 6° C y utilización de agua
fría a 2°C para la preparación de la mezcla de RCC. Para los últimos 45 m
de la presa en altura, se autorizó colocar RCC a 18°C. También se demostró
que era esencial utilizar cemento Pórtland adicionado con puzolana natural
para controlar el incremento de temperatura en la mezcla.
3.4.2 Instrumentación
Para el registro y control del comportamiento de la presa durante la
construcción y operación se instaló la siguiente instrumentación:
• Péndulos directos e invertidos para el monitoreo de la verticalidad de la
presa.
• Extensómetros de posición múltiple en perforaciones para la medida de
deformaciones en la fundación de la presa.
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• Termómetros para verificación del comportamiento térmico del RCC
colocado.
• Piezómetros de alambre vibratorio para la medida de presiones en la
fundación y cuerpo de la presa.
• Acelerógrafos para el registro de movimientos sísmicos.
• Pozos para observación del nivel freático en los estribos.
• Medidores de asentamiento en el lleno de refuerzo.
• Puntos para el control superficial de movimientos y,
• Medidores de movimiento en las juntas de contracción.
3.4.3 Características geológicas y geotécnicas generales de la
fundación
El proyecto hidroeléctrico Porce II se ubica en el flanco oeste de la cordillera
Central Colombiana, en el denominado macizo oriental Antioqueño, en la
parte central de un bloque tectónico de gran extensión limitado por fallas de
carácter regional de estilo tectónico compresivo – rumbo deslizante, tales
como las fallas Otu-Pericos y Palestina al este, y las fallas Romeral y Espíritu
Santo al oeste, y un conjunto de fallas de alta persistencia, de menor
magnitud, con dirección predominante NW.
La presa se construyó en un estrechamiento del río, al iniciar su descenso
hacia la confluencia con el río Guadalupe, en donde existe un cañón de
ladera muy pendiente en la margen izquierda (55% en promedio) y de
topografía más suave en la margen derecha (40% en promedio).
Litológicamente la zona se asocia a rocas en su mayoría metamórficas, las
cuales fueron afectadas por magmatísmo cretácico, dando lugar a grandes
cuerpos de rocas ígneas intrusivas que impusieron de manera zonificada
metamorfismo de contacto a las unidades litológicas mas antiguas. De
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LA SEGURIDAD DE LA PRESA
manera general la zona del proyecto se encuentra sometida a un proceso de
meteorización y erosión activo que dan lugar a la formación de grandes
perfiles de suelo residual, y a la depositación de unidades sedimentarías de
tipo coluvión y aluvión en las partes medias y bajas de las laderas. (Patiño,
2005)
Específicamente, la fundación de la presa se encuentra constituida en un
65% por cornubianas que se encuentran en toda la margen izquierda y en la
margen derecha en un tramo no continuo de aproximadamente 150 m desde
la orilla del río hasta la cota 890; el 35% restante de la roca de fundación
corresponde a cuarzodioritas las cuales son rocas cretácicas graníticas del
Batolito Antioqueño, que se encuentran en la margen derecha a partir de la
cota 890 de la fundación, y también se encuentran a manera de diques y
cúpulas, dentro de la cornubiana, con espesores de hasta 25 metros, y
dirección predominante E-W. Ver figura 3.6. (Patiño, 2005)
El tratamiento de la fundación de la presa de RCC consistió en retirar todo el
material hasta la profundidad requerida para alcanzar la roca tipo III (de
acuerdo con el perfil típico de meteorización de rocas ígneas intrusivas
propuesto por Deere y Patton), a partir de la cual, se realizó un tratamiento
consistente en la limpieza y posterior relleno de las trazas de fallas menores,
grietas y oquedades, con concreto dental. Adicionalmente se realizaron
excavaciones para corregir taludes negativos y otras irregularidades
topográficas menores, con el fin de garantizar un buen contacto del concreto
de nivelación y del RCC, con la roca de fundación. Adicionalmente se
hicieron perforaciones para inyecciones de consolidación de 6 m de
profundidad, espaciadas cada 6 m, en ambas direcciones, en algunas zonas
de la fundación.
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IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
En la parte más profunda de la fundación de la presa se colocó una capa de
concreto de nivelación con un espesor mínimo de 0,30 m hasta alcanzar un
área cuya superficie proporcionara un espacio de trabajo suficiente para una
adecuada operación del equipo y poder iniciar la colocación del RCC.
EJE DEL
SE
940
VERTEDERO
PERFIL GEOLÓGICO POR EL EJE DE LA PRESA
NW
890
Kme
d
Kc
840
Kcd
Kme
790
VENTANA DE CONSTRUCCIÓN N°2
TÚNEL DE CONDUCCIÓN
Kme
50
100
Kme
150
200
Cornubiana
Kcd
250
Cuarzodiorita
300
350
400
Contacto geológico
450
500
Concreto - CCR-
550
Trazas de falla
600
650
Zona de cizalladura
Figura 3.6. Corte geológico estructural por el eje de la presa.
3.4.4 Galerías de drenaje
El sistema general de galerías en la presa de RCC de Porce II consta de dos
tipos:
• Galerías en la fundación de la presa.
Estas galerías recorren los
estribos de la presa en sentido longitudinal. En el estribo derecho se
extiende desde la cota 820.30 hasta la cota 885.00. En el estribo izquierdo
se extiende desde la cota 850.30 en la parte inferior hasta la cota 889,30.
Estas galerías están dispuestas en la roca de fundación de la presa con
sección abovedada de tres metros de ancho por tres metros de altura.
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Dichas
galerías
se
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diseñaron
IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
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principalmente
para
recolectar
las
infiltraciones que se presenten a través de la roca de fundación.
• Galerías en el núcleo de la presa. Estas galerías se localizan en el
cuerpo de la presa en sentido longitudinal al eje de la misma en las cotas
816.10,
820.30,
850.30
y
889.30; son de sección cuadrada de tres
metros de lado; las galerías se encuentran interconectadas entre si por
medio de perforaciones para drenaje.
Las inyecciones de consolidación, que se hicieron en algunos sectores, se
efectuaron desde la fundación de la presa; las perforaciones que conforman
la cortina de drenaje de la fundación se efectuaron desde las galerías
localizadas en las cotas 816.10 y 820.30.
Se
construyeron
también
una
serie
de
galerías
longitudinales
(aproximadamente normales al eje de la presa) con salida en la cara de
aguas abajo de la presa, las cuales sirven de acceso al sistema general de
galerías y evacuación de las infiltraciones.
3.4.5 Cortina de inyecciones y cortina de drenaje
Para controlar la subpresión y las infiltraciones en la fundación, la presa
Porce II cuenta con una cortina de inyecciones y una cortina de drenaje. La
cortina de inyecciones llena las discontinuidades de la roca de fundación,
creando una barrera para reducir las infiltraciones. La cortina de drenaje
colecta el agua que logra atravesar la cortina de inyecciones, controlando la
subpresión; consiste en una línea de drenes dispuestos en la fundación,
aguas abajo de la cortina de inyecciones.
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LA SEGURIDAD DE LA PRESA
Las perforaciones de la cortina de inyecciones, cuyas profundidades fueron
de 50 m aproximadamente, se distribuyeron a lo largo de la fundación de la
presa, siguiendo la línea de las galerías en la fundación, y la galería de la
cota 820.30. Ver figura 3.4.
Las perforaciones de la cortina de drenaje en la fundación de la presa, se
ejecutaron con diámetros variables entre 76 mm y 110 mm, la inclinación
respecto a la vertical fue de 15° hacia aguas abajo, y el espaciamiento entre
perforaciones fue de 4 m. Es importante destacar que las perforaciones de
drenaje de la fundación de la margen izquierda se llevaron a cabo hasta la
cota 900.00 correspondiente al tope de la galería longitudinal en la margen
izquierda.
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4. METODOLOGÍA
Este trabajo de investigación se desarrolló entre junio de 2004 y junio de
2005. Inicialmente, se recopiló y analizó la información generada tanto en el
diseño como en la construcción de la presa, luego, se desarrollaron trabajos
de campo tales como reconocimientos, levantamientos, ejecución de
ensayos, instalación de instrumentos y toma de registros, por último, se
analizó toda la información y se prepararon los respectivos informes. En la
tabla 4.1 se describe en términos generales las actividades desarrolladas
para esta tesis de grado.
ASPECTO
DESCRIPCIÓN
4.1 TRABAJO DE CAMPO
•
Reconocimiento general.
Se efectuaron dos visitas de reconocimiento a la
zona de estudio, en las cuales se determinó el área
de estudio y la magnitud del problema, así mismo,
se definieron las necesidades técnicas y logísticas
para adelantar el trabajo de campo (Ensayos,
levantamientos, toma de registros, entre otros).
•
Reconocimiento
de
drenajes naturales.
los
Se efectuó un recorrido en la zona superior de la
margen izquierda de la presa, para evaluar la
incidencia de los drenajes naturales en los
afloramientos de agua detectados. Adicionalmente,
se definieron los sitios para toma de muestras de
agua.
Tabla 4.1 Descripción general de las actividades desarrolladas.
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ASPECTO
•
Toma
de
muestras
IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
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DESCRIPCIÓN
y
Para
determinar
la
procedencia
de
los
análisis fisicoquímico del
afloramientos de agua, y evaluar si se presentaba
agua.
arrastre
del
material
llenante
de
las
discontinuidades, se efectuaron tres campañas de
muestreo de agua, dos en invierno y una en
verano. En cada campaña se tomaron muestras en
seis sitios: una en el embalse, cuatro en los
afloramientos de agua, y una en el drenaje natural
localizado en la zona superior de la margen
izquierda. Posteriormente se llevaron al laboratorio
de química de EPM, en donde se efectuaron
diferentes análisis fisicoquímicos tales como: PH,
alcalinidad, conductividad, cloruros, dureza total,
dureza de Ca, dureza de Mg, K, Ca+2, Mg+2, sólidos
totales, disueltos y suspendidos.
•
Toma de registros de los
Durante un período de 11 meses y con una
afloramientos de agua.
frecuencia semanal, se aforaron cinco sitios en los
que se detectaron los afloramientos de agua.
•
Perforaciones y ejecución
Con
de
de
caracterización de la roca de fundación, instalar
permeabilidad del macizo
piezómetros de tubo abierto y efectuar un ensayo
rocoso.
de permeabilidad, se hicieron ocho perforaciones
ensayos
el
fin
de
complementar
y
verificar
la
con taladro rotatorio, tipo JOY. Las perforaciones
se localizaron de la siguiente manera: tres en la
galería de acceso en cota 889.30, cuatro en la
galería de acceso en cota 850.30, y una en el
exterior (contacto entre la cara aguas abajo de la
presa y el estribo izquierdo). Las profundidades
variaron entre 4.0 y 6.0 m con un diámetro de 2”.
Posteriormente,
se
efectuaron
ensayos
de
permeabilidad tipo Lugeon, en la perforación
localizada en el exterior de la presa.
Tabla 4.1 Descripción general de las actividades desarrolladas. (Cont.).
FLUJO A TRAVÉS DEL MACIZO ROCOSO DE LA FUNDACIÓN DE LA PRESA PORCE II
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ASPECTO
•
IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
DESCRIPCIÓN
Instalación
de
instrumentación adicional
En
las
ocho
perforaciones
se
instalaron
piezómetros de tubo abierto, con los cuales se
monitorearon
las
variaciones
piezométricos y se evaluó la
de
los
niveles
subpresión en la
fundación de la presa.
Adicionalmente, se instalaron tres puntos de control
superficial en la margen izquierda, con los cuales
se analizaron las
deformaciones del macizo
rocoso.
•
Toma de registros de la
De manera quincenal y durante 11 meses, se
instrumentación.
tomaron lecturas de los piezómetros de tubo
abierto
instalados
para
este
trabajo
de
investigación, así mismo, se tomaron lecturas de
los piezómetros eléctricos existentes, localizados
cerca de la zona de investigación. Los puntos de
control
superficial
levantamientos
se
monitorearon
topográficos
mediante
convencionales:
triangulación y nivelación; se efectuaron tres
levantamientos.
4.2 TRABAJO DE OFICINA
•
Revisión,
evaluación
y
Se clasificó, revisó, evaluó y analizó toda la
análisis de la información
información asociada al estudio de la roca de
existente.
fundación, tanto la generada durante la etapa de
diseño como de construcción.
Tabla
4.1
Descripción
general
de
las
actividades
desarrolladas.
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33
(Continuación).
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ASPECTO
•
IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
DESCRIPCIÓN
Análisis de los registros
Se analizaron los registros de los instrumentos
de los Instrumentos.
localizados en la zona de investigación, tanto los
existentes como los instalados durante este trabajo
de investigación. El análisis se efectuó a partir de
curvas de variación en el tiempo de cada uno de
los registros. Se evalúo el comportamiento de la
presa frente a los siguientes aspectos: subpresión,
deformaciones e infiltraciones.
•
Análisis fisicoquímico del
Se analizaron los resultados de los ensayos
agua.
realizados a las muestras de agua tomadas en seis
sitios de la presa Porce II, con el objeto de
determinar la procedencia de los afloramientos de
agua, y verificar si se presentaba posible erosión
del material de relleno de las discontinuidades.
•
Determinación
de
la
permeabilidad.
Se obtuvieron valores de permeabilidad del macizo
rocoso de la margen izquierda a partir de tres
procedimientos: Los ensayos Lugeon realizados
durante las etapas de diseño y construcción de la
presa, y durante este trabajo de investigación;
análisis de los afloramientos de agua y las
trayectorias de flujo; y el
nomograma propuesto
por Louis (1967) y presentado por Hoek E & Bray
en el libro Rock Slope Engineering.
•
Evaluación
de
seguridad de la presa.
la
Con base en los hallazgos obtenidos en las
diferentes actividades del trabajo de investigación,
se efectuó un análisis general de la información, se
obtuvo un diagnóstico, y se definieron alternativas
de solución para los hallazgos identificados.
Tabla 4.1 Descripción general de las actividades desarrolladas. (Cont.).
FLUJO A TRAVÉS DEL MACIZO ROCOSO DE LA FUNDACIÓN DE LA PRESA PORCE II
34
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5. ANÁLISIS FISICOQUÍMICO DEL AGUA
En este capítulo se muestran y analizan los resultados de los ensayos
realizados a las muestras de agua tomadas en seis sitios de la presa Porce
II, con el objeto de determinar la procedencia de los afloramientos de agua
de la margen izquierda de la presa y, verificar si se presenta erosión del
material de relleno de las discontinuidades, que pueda ocasionar un
debilitamiento de la fundación de la presa, o generar aumento en la
subpresión e infiltraciones.
Para ello, se realizaron tres campañas de muestreo, dos en invierno y una en
verano. Las muestras se tomaron en diferentes sitios: en el embalse, en los
afloramientos de agua, y en un drenaje natural localizado en la parte superior
de la margen izquierda.
Los parámetros fisicoquímicos analizados se definieron según lo establecido
en el documento Concrete Dam Instrumentation Manual, del U.S. Bureau of
Reclamation.
Empresas
Los ensayos se realizaron en el laboratorio de química de
Públicas
de
Medellín
E.S.P.,
siguiendo
los
métodos
y
procedimientos establecidos en la norma Standard Test Methods for the
examination of water and wastewater.
5.1 CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS DEL MATERIAL DE FUNDACIÓN
Para determinar la procedencia de los afloramientos de agua de la margen
izquierda de la presa es necesario conocer las características químicas y
mineralógicas de los cuerpos que esta atraviesa.
Físicamente, los
afloramientos de agua tienen dos posibles fuentes:
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LA SEGURIDAD DE LA PRESA
•
El embalse.
•
El drenaje localizado en la parte superior de la margen izquierda.
En caso de que el agua provenga del embalse, esta se vería forzada a
transitar a través de las discontinuidades, entrando en contacto con los
siguientes materiales:
•
Roca de dos tipos: Cornubiana, cuarzodiorita, y materiales de relleno
de las discontinuidades.
•
Cemento de la cortina de inyecciones de impermeabilización de la
fundación.
En caso de que el agua provenga del drenaje natural de la parte superior de
la
margen
izquierda,
ésta
tendría
que
transitar
a
través
de
las
discontinuidades de la roca tipo cornubiana, y por la cubierta de suelo que
cubre la roca.
La roca de fundación de la margen izquierda esta conformada en un 90% por
cornubiana, y un 10%
por cuarzodiorita. La cornubiana se compone
principalmente por cuarzo, biotita, moscovita, sericita y plagioclasa; la
cuarzodiorita se compone principalmente por plagioclasa, cuarzo, biotita y
hornblenda.
El relleno de las discontinuidades está compuesto en su mayoría por cuarzo,
óxidos de hierro, óxidos de manganeso, arcilla y sílice.
La cortina de inyecciones de la presa Porce II se conformó mediante la
inyección de lechada de cemento. La composición química del cemento
expresada en términos de óxidos mayores se encuentra en la tabla 5.1.
(Integral, 1996).
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Compuesto
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%
Óxido de calcio (CaO)
65.66
Dióxido de silicio (SiO2)
20.55
Trióxido de aluminio (Al2O3)
5.38
Óxido férrico (Fe2O3)
3.08
Óxido de magnesio (MgO)
1.45
Sulfitos (SO3)
2.40
Tabla 5.1. Composición química del cemento de la cortina de inyecciones
Los minerales constituyentes de las rocas de fundación son químicamente
estables en las condiciones de presión y temperatura actuales, no son
solubles en agua y no reaccionan fácilmente con ninguno de los compuestos
encontrados en el agua del embalse o de escorrentía. La cornubiana
presenta muy baja susceptibilidad a la meteorización, mientras que la
cuarzodiorita presenta moderada susceptibilidad, por lo tanto, los cambios
que pueda sufrir el agua al entrar en contacto con la masa mineral de la roca
no son representativos como para que sean identificados en un ensayo
fisicoquímico convencional.
De acuerdo con lo anterior, un elemento diferenciador de la procedencia del
agua es su calidad, dadas las diferencias que deberán encontrarse entre el
agua del embalse y el agua del drenaje natural; también, el cambio en las
propiedades del agua propiciado por el contacto con el cemento de la cortina
de inyecciones, el cual puede ser comparativamente menos estable y
resistente químicamente que la roca de fundación.
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LA SEGURIDAD DE LA PRESA
5.2. SITIOS DE MUESTREO Y PARÁMETROS OBTENIDOS
El criterio fundamental para definir los sitios de muestreo fue el de encontrar
diferencias claras entre el agua del embalse y el agua del drenaje natural.
Con el fin de obtener información representativa y tener mayor certeza sobre
los análisis efectuados, se realizaron tres campañas de muestreo, de las
cuales dos se realizaron en invierno y una en verano.
Los sitios definidos para la obtención de las muestras se muestran en la tabla
5.2 y en la figura 5.1
Muestra
Localización
1
Embalse. Muestras obtenida a 4 m de profundidad.
2
Pozo PNF-16. Cota 904 msnm. Muestras obtenidas del agua que
aflora del pozo.
3
Sitio de aforo No.3. Cota 880 msnm. Muestras obtenidas
directamente del afloramiento de agua.
4
Sitio de aforo No.5. Cota 860 msnm. Muestras obtenidas
directamente del afloramiento de agua de la discontinuidad de la
abscisa 175 aproximadamente.
5
Pozo PNF-9. Cota 850 msnm. Muestras obtenidas del interior del
tubo.
6
Drenaje natural superior. Muestras obtenidas aguas arriba, entre
la cuneta superior (cerca de la puerta de acceso a la presa) y el
drenaje natural localizado en la parte superior de la margen
izquierda.
Tabla 5.2 Descripción de los sitios de muestreo para el análisis fisicoquímico.
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Sitio de
investigación
Aguas abajo
MARGEN
IZQUIERDA
3
2
6
4
5
1
Aguas arriba
Figura 5.1. Localización de los sitios de muestreo.
Los parámetros fisicoquímicos obtenidos se definieron según lo establecido
en el documento Concrete Dam Instrumentation Manual, del U.S. Bureau of
Reclamation. Estos parámetros se encuentran en la tabla 5.3.
Parámetro
Unidad de
Parámetro
medida
pH
Unidad de
medida
Dureza de Mg
mg/L
Conductividad
µS
Calcio
mg/L
Temperatura
°C
Magnesio
mg/L
Turbiedad
NTU
Potasio
mg/L
Alcalinidad total
mg/L
Sólidos totales
mg/L
Cloruros
mg/L
Sólidos disueltos
mg/L
Dureza total
mg/L
Sólidos suspendidos
mg/L
Dureza de Ca
mg/L
Tabla 5.3 Parámetros fisicoquímicos obtenidos de las muestras de agua.
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LA SEGURIDAD DE LA PRESA
5.3 RESULTADOS DE LOS ENSAYOS
En las tablas 5.4 a 5.6 se muestran los resultados de los parámetros
fisicoquímicos obtenidos de las muestras tomadas en tres épocas: el 30 de
septiembre de 2004 y el 17 de mayo de 2005 que corresponden a períodos
de invierno, y el 2 de febrero de 2005 que corresponde a un período de
verano.
De acuerdo con lo descrito en el numeral anterior, se puede afirmar que hay
dos características básicas que permitirán inferir la procedencia del agua,
estas son: las características del agua del embalse Porce II, las cuales son
claramente identificables por cuanto este embalsa el río Medellín, que son las
aguas residuales del área Metropolitana, y, la presencia de la cortina de
inyecciones en la fundación de la presa, la cual fue conformada con
inyecciones de cemento.
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LA SEGURIDAD DE LA PRESA
Muestreo realizado en época de invierno (Sep 30 de 2004)
Unidad
Parámetro
de
medida
6.
1.
2.
3.
4.
5.
Drenaje
Embalse,
PNF-16,
Aforo 3,
Aforo 5,
PNF-9,
natural,
cota 904
cota 904
cota 880
cota 860
cota 850
cota >
928
pH
7.0
7.0
7.2
7.0
7.0
6.6
Conductividad
µS
62.0
54.8
60.8
57.6
65.4
30.6
Temperatura
°C
25.0
23.6
24.0
23.8
22.8
21.0
Turbiedad
NTU
20.80
0.45
2.43
0.76
38.90
13.70
mg/L
42.0
80.0
99.0
74.0
96.0
27.0
Cloruros
mg/L
16.0
5.0
5.0
6.0
14.0
5.0
Dureza total
mg/L
52.0
104.8
120.0
101.2
89.2
28.0
Dureza de Ca
mg/L
29.0
79.0
107.2
78.2
50.0
16.8
Dureza de Mg
mg/L
23.0
25.8
12.8
23.0
39.2
11.2
Calcio
mg/L
11.61
31.64
42.93
31.32
20.02
6.73
Magnesio
mg/L
5.59
6.27
3.11
5.59
9.52
2.72
Potasio
mg/L
3.58
2.19
3.96
3.04
3.36
1.37
Sólidos totales
mg/L
118.0
198.0
210.0
189.0
143.0
69.0
mg/L
115.0
172.0
203.0
166.0
141.0
62.0
mg/L
3.0
26.0
7.0
23.0
2.0
7.0
Alcalinidad
total
Sólidos
disueltos
Sólidos
suspendidos.
Tabla 5.4. Resultados fisicoquímicos de las muestras obtenidas el 30 de
septiembre de 2004 (invierno).
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Muestreo realizado en época de verano (Feb 02 de 2005)
6.
Unidad
Parámetro
de
medida
1.
2.
3.
4.
5.
Drenaje
Embalse,
PNF-16,
Aforo 3,
Aforo 5,
PNF-9,
natural,
cota 904
cota 904
cota 880
cota 860
cota 850
cota >
928
pH
6.8
6.8
7.40
6.8
7.4
7.0
Conductividad
µS
62.4
50.2
61.2
60.6
60.8
35.8
Temperatura
°C
24.5
22.5
22.8
23.0
22.5
21.0
Turbiedad
NTU
9.3
0.8
5.0
2.7
3.4
37.2
mg/L
43.0
55.0
68.0
78.0
85.0
44.0
Cloruros
mg/L
19.0
9.0
18.0
15.0
15.0
5.0
Dureza total
mg/L
36.0
72.0
72.0
90.0
60.0
38.0
Dureza de Ca
mg/L
18.0
48.0
50.0
63.0
44.0
17.0
Dureza de Mg
mg/L
18.0
24.0
22.0
27.0
16.0
21.0
Calcio
mg/L
7.20
19.20
20.00
25.20
17.60
6.80
Magnesio
mg/L
4.40
5.80
5.40
6.60
3.90
5.10
Potasio
mg/L
3.30
1.90
4.60
3.00
2.60
0.80
Sólidos totales
mg/L
135.0
162.0
171.0
175.0
143.0
155.0
mg/L
123.0
142.0
163.0
172.0
137.0
81.0
mg/L
12.0
20.0
8.0
3.0
6.0
74.0
Alcalinidad
total
Sólidos
disueltos
Sólidos
suspendidos.
Tabla 5.5. Resultados fisicoquímicos de las muestras obtenidas el 2 de
febrero de 2005 (verano).
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Muestreo realizado en época de invierno (May 17 de 2005)
6.
Unidad
Parámetro
de
medida
1.
2.
3.
4.
5.
Drenaje
Embalse,
PNF-16,
Aforo 3,
Aforo 5,
PNF-9,
natural,
cota 904
cota 904
cota 880
cota 860
cota 850
cota >
928
pH
6.80
6.80
7.20
6.80
7.60
7.00
Conductividad
µS
24.20
54.30
61.40
62.30
60.50
38.40
Temperatura
°C
24.20
23.80
24.00
24.40
22.00
21.50
Turbiedad
NTU
7.76
0.37
0.40
0.31
6.14
30.40
mg/L
37.00
57.00
112.00
57.00
60.00
30.00
Cloruros
mg/L
16.00
6.00
5.00
6.50
12.00
7.00
Dureza total
mg/L
36.80
89.00
146.00
89.20
52.40
32.40
Dureza de Ca
mg/L
26.00
60.60
128.00
73.00
46.00
18.50
Dureza de Mg
mg/L
10.80
28.40
18.00
16.20
6.40
13.90
Calcio
mg/L
10.40
24.30
51.30
29.20
18.40
7.41
Magnesio
mg/L
2.60
6.90
4.40
3.90
1.60
3.40
Potasio
mg/L
1.12
1.25
1.09
1.14
1.25
1.14
Sólidos totales
mg/L
129.00
176.00
246.00
182.00
156.00
148.00
mg/L
126.00
163.00
238.00
178.00
129.00
95.00
mg/L
3.00
13.00
8.00
4.00
27.00
53.00
Alcalinidad
total
Sólidos
disueltos
Sólidos
suspendidos.
Tabla 5.6. Resultados fisicoquímicos de las muestras obtenidas el 17 de
mayo de 2005 (invierno).
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5.4 DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DE LOS PARÁMETROS
Para comparar los valores de los parámetros fisicoquímicos de las muestras
obtenidas en los afloramientos de agua, con los valores obtenidos en las
muestras del embalse y el drenaje natural, es necesario conocer el
significado de cada parámetro y realizar comparaciones que contribuyan a
formular unas conclusiones. Los resultados entregados por el laboratorio se
muestran en el anexo 1.
5.4.1 Determinación de la procedencia del agua.
Para determinar la procedencia del agua se analizarán a continuación los
siguientes parámetros: pH, Alcalinidad, conductividad, temperatura, cloruros,
dureza total, calcio, magnesio, y potasio.
•
pH
Este parámetro indica la acidez o alcalinidad de una solución. Expresa la
concentración de iones H+. El agua se ioniza en iones de hidrógeno y iones
de hidróxido de acuerdo a la reacción H2O = H+ + OH-; desde el punto de
vista de ionización, el agua puede considerarse como un ácido y una base.
De acuerdo con los resultados presentados en la figura 5.2, se observa que
la acidez del agua no alcanza la media unidad de diferencia y el intervalo
permanece dentro de lo establecido para aguas naturales. Aunque se
presenta una ligera acidez del agua proveniente del drenaje natural (muestra
6), el cambio del pH es pequeño y sus valores nunca se salen del intervalo
cercano a la neutralidad (6,6 - 7,6). Las muestras tomadas en el aforo 3 y en
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el pozo PNF-9 presentan una ligera alcalinización, que para este caso no se
considera relevante. Por lo tanto se considera que en este caso particular, el
pH no es un parámetro indicativo sobre la procedencia del agua.
8.0
pH
7.5
7.0
6.5
6.0
1. Embalse, cota
904
2. PNF-16, cota
904
3. Aforo 3, cota
880
4. Aforo 5, cota
860
5. PNF-9, cota
850
6. Drenaje natural,
cota > 928
Invierno (30 sep 2004)
7.0
7.0
7.2
7.0
7.0
6.6
Verano (02 feb 2005)
6.8
6.8
7.4
6.8
7.4
7.0
Invierno (17 may 2005)
6.8
6.8
7.2
6.8
7.6
7.0
Figura 5.2 Análisis fisicoquímico del agua – pH.
•
Alcalinidad
La alcalinidad es la capacidad de un agua para neutralizar la acidez a un pH
determinado. La alcalinidad de un agua natural se debe básicamente a sales
de ácidos débiles y las bases. La alcalinidad es causada principalmente por
la presencia de iones carbonatos y bicarbonatos asociados con los cationes
Na+, K+ , Ca+2 y Mg+2 , es decir, por la presencia de compuestos tales como,
carbonato de sodio (Na2CO3), carbonato de potasio (K2CO3), carbonato de
calcio (CaCO3), carbonato de magnesio (MgCO3), hidróxido de sodio
(NaOH), hidróxido de potasio (KOH), hidróxido de calcio (Ca(OH)2) y
hidróxido de magnesio (Mg(OH2)).
Según se muestra en la figura 5.3, la alcalinidad tanto del embalse como del
drenaje natural están dentro del rango esperado para ríos andinos, 10 - 50
mg/L, que puede considerarse baja. En el rango de pH cercanos al neutro,
que tienen los cuerpos de aguas dulces y quietas, como el embalse de Porce
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II, se espera que la alcalinidad esté representada por bicarbonatos, y por lo
tanto, que su capacidad de neutralizar ácidos sea baja.
La alcalinidad registrada tanto en el embalse como en el drenaje natural es
aproximadamente similar, sin embargo, se observa que ésta aumenta en los
afloramientos de agua, lo que se debe al aumento de hidróxidos de calcio y
magnesio, producidos principalmente por la reacción del oxido de calcio (tal
como se describe más adelante), el cual es uno de los principales
compuestos del cemento de la cortina de impermeabilización de la presa.
Alcalinidad total (mg/l)
120
100
80
60
40
20
0
1. Embalse, cota
904
2. PNF-16, cota
904
3. Aforo 3, cota
880
4. Aforo 5, cota
860
5. PNF-9, cota
850
6. Drenaje natural,
cota > 928
Invierno (30 sep 2004)
42
80
99
74
96
27
Verano (02 feb 2005)
43
55
68
78
85
44
Invierno (17 may 2005)
37
57
112
57
60
30
Muestreos
5.3 Análisis fisicoquímico del agua – Alcalinidad.
•
Conductividad
La conductividad es la propiedad de una solución para conducir la corriente
eléctrica. La conductividad de una solución es el recíproco de su resistencia.
La mayoría de las sales y bases son mejores conductores que las moléculas
de compuestos orgánicos, de manera que la conductividad representa la
concentración de sales en aguas naturales y también permite descubrir las
variaciones de los sólidos disueltos.
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Los valores de conductividad en el embalse y en los afloramientos de agua
son muy similares, siendo aproximadamente un 100% mayor que los valores
de conductividad en el drenaje natural. Ver figura 5.4. En el embalse de
Porce II se encuentran conductividades cercanas a 60 µS, asociado al
proceso de mineralización de la materia orgánica, y a la cantidad de material
disuelto. Este parámetro, por sí solo, indica que el agua de los afloramientos
proviene del embalse, dada la marcada diferencia entre el agua del embalse
y la del drenaje natural.
80.0
Conductividad (us)
70.0
60.0
50.0
40.0
30.0
20.0
1. Embalse, cota
904
2. PNF-16, cota
904
3. Aforo 3, cota
880
4. Aforo 5, cota
860
5. PNF-9, cota
850
6. Drenaje natural,
cota > 928
Invierno (30 sep 2004)
62.0
54.8
60.8
57.6
65.4
30.6
Verano (02 feb 2005)
62.4
50.2
61.2
60.6
60.8
35.8
Invierno (17 may 2005)
60.0
54.3
61.4
62.3
60.5
38.4
Muestreos
Figura 5.4 Análisis fisicoquímico del agua – Conductividad.
•
Temperatura
La temperatura de las aguas residuales es mayor que la de las aguas no
contaminadas, debido a la energía liberada durante las reacciones
bioquímicas que se presentan en la degradación de la materia orgánica,
como el caso del embalse Porce II. También, la presa después de cuatro
años de operación sigue liberando calor, debido a que aún quedan rezagos
de los procesos químicos generados durante el fraguado del cemento; de
acuerdo con el análisis térmico y de agrietamiento efectuado durante la
construcción de la presa, se espera que en unos 20 años, después de
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finalizada la construcción de la presa, una porción del interior de la presa se
encuentre con 1oC por encima de la temperatura ambiente.
La temperatura de la fundación se obtuvo de las termocuplas (sensores de
temperatura), las cuales se encuentran instaladas con los piezómetros. En la
mayoría de los casos, la temperatura en el embalse, la fundación y los
afloramientos son muy similares, y presentan una clara diferencia con la
temperatura del drenaje natural.
Es posible que por fenómenos de
termodinámica, la presa le transmita calor a la fundación, y por lo tanto, la
temperatura registrada en los afloramientos de agua sea similar a la de la
fundación. Este parámetro indica que el agua adquiere calor, debido a que el
concreto de la presa se lo transmite, lo cual indica que las infiltraciones
atraviesan la fundación de la presa. Ver figura 5.5.
26.0
Temperatura (oC)
25.0
24.0
23.0
22.0
21.0
20.0
Muestreos
1. Embalse,
cota 904
2. PNF-16, cota 3. Aforo 3, cota 4. Aforo 5, cota 5. PNF-9, cota
904
880
860
850
6. Drenaje
natural, cota >
7. Fundación
Invierno (30 sep 2004)
25.0
23.6
24.0
23.8
22.8
21.0
24.1
Verano (02 feb 2005)
24.5
22.5
22.8
23.0
22.5
21.0
23.5
Invierno (17 may 2005)
24.2
23.8
24.0
24.4
22.0
21.5
24
Figura 5.5. Análisis fisicoquímico del agua – Temperatura.
•
Cloruros
El cloruro en forma de ión Cl-, es uno de los aniones inorgánicos más
comunes en aguas naturales y residuales. El contenido de cloruro
normalmente aumenta cuando el contenido de minerales aumenta. El agua
puede incrementar su contenido de cloruros, por disolución de este
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LA SEGURIDAD DE LA PRESA
compuesto, el cual se encuentra en los suelos y las formaciones rocosas. El
ion cloruro forma compuestos muy fácilmente con los elementos alcalinos,
por lo tanto, éstos se pueden fijar al cemento de la cortina de inyecciones.
Las concentraciones de cloruros registradas en las tres campañas de
muestreo presentan dispersión, lo cual dificulta el análisis, sin embargo, se
observa que las concentraciones de cloruros en las muestras del embalse y
de los afloramientos son, en términos generales, mayores que en las
muestras del drenaje natural, adicionalmente, las concentraciones de cloruro
disminuyen al pasar por la fundación, lo cual indica aparentemente que hay
Cloruros (mg/l)
fijación. Ver figura 5.6.
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
1. Embalse, cota
904
2. PNF-16, cota
904
Invierno (30 sep 2004)
16
5
5
6
14
5
Verano (02 feb 2005)
19
9
18
15
15
5
Invierno (17 may 2005)
16
6
5
6.5
12
7
Muestreos
3. Aforo 3, cota
880
4. Aforo 5, cota
860
5. PNF-9, cota
850
6. Drenaje natural,
cota > 928
Figura 5.6. Análisis fisicoquímico del agua – Cloruros.
•
Dureza total
La dureza es una característica química del agua que puede ser clasificada
en dos tipos:
Dureza Temporal (carbonática o de calcio y magnesio): Este tipo de dureza
se debe a la presencia de carbonatos y bicarbonatos de calcio y magnesio.
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IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
Este es el tipo de dureza más común en las aguas naturales y se debe
principalmente al alto contenido de iones de Ca+2 y Mg+2.
Dureza Permanente (no carbonática): Este tipo de dureza no se debe a los
carbonatos, y debe ser atribuida a la presencia en el agua de sulfatos,
cloruros, nitratos y silicatos alcalinotérreos.
Los iones de Hierro y aluminio algunas veces son considerados como
contribuyentes de la dureza del agua, los cuales son adquiridos por el
contacto con suelo y formaciones rocosas. La dureza del agua puede ser
eliminada por la acción de un alto intercambio iónico, por formación de
complejos estables o por precipitación.
La dureza es quizás uno de los parámetros examinados que indica
claramente la procedencia del agua. El calcio y el magnesio son cationes que
en mayor proporción causan dureza temporal. El mayor componente del
cemento utilizado en la cortina de inyecciones de la presa Porce II, el oxido
de calcio, puede dar lugar al aumento de la dureza total y la dureza de calcio
del agua de infiltración. Consecuentemente, el contenido de oxido de
magnesio en el cemento de la cortina de inyecciones de impermeabilización
es muy pequeño, por tal razón, el incremento de la dureza de magnesio en
los análisis del agua de infiltración no es muy significativo. Ver figuras 5.7 a
5.9.
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IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
150.0
Dureza total (mg/l)
120.0
90.0
60.0
30.0
0.0
1. Embalse, cota
904
2. PNF-16, cota
904
3. Aforo 3, cota
880
4. Aforo 5, cota
860
5. PNF-9, cota
850
6. Drenaje natural,
cota > 928
Invierno (30 sep 2004)
52.0
104.8
120.0
101.2
89.2
28.0
Verano (02 feb 2005)
36.0
72.0
72.0
90.0
60.0
38.0
Invierno (17 may 2005)
36.8
89.0
146.0
89.2
52.4
32.4
Muestreos
Figura 5.7. Análisis fisicoquímico del agua – Dureza total.
Dureza de Ca (mg/l)
150.0
120.0
90.0
60.0
30.0
0.0
1. Embalse, cota
904
2. PNF-16, cota
904
3. Aforo 3, cota
880
4. Aforo 5, cota
860
5. PNF-9, cota
850
6. Drenaje natural,
cota > 928
Invierno (30 sep 2004)
29.0
79.0
107.2
78.2
50.0
16.8
Verano (02 feb 2005)
18.0
48.0
50.0
63.0
44.0
17.0
Invierno (17 may 2005)
26.0
60.6
128.0
73.0
46.0
18.5
Muestreos
Dureza de Mg (mg/l)
Figura 5.8. Análisis fisicoquímico del agua – Dureza de calcio.
50.0
45.0
40.0
35.0
30.0
25.0
20.0
15.0
10.0
5.0
0.0
1. Embalse, cota
904
2. PNF-16, cota
904
3. Aforo 3, cota
880
4. Aforo 5, cota
860
5. PNF-9, cota
850
6. Drenaje natural,
cota > 928
Invierno (30 sep 2004)
23.0
25.8
12.8
23.0
39.2
11.2
Verano (02 feb 2005)
18.0
24.0
22.0
27.0
16.0
21.0
Invierno (17 may 2005)
10.8
28.4
18.0
16.2
6.4
13.9
Muestreos
Figura 5.9 Análisis fisicoquímico del agua – Dureza de magnesio.
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Calcio y magnesio.
El calcio es el principal elemento constituyente del cemento. Las aguas que
contienen cantidades altas de calcio y de magnesio, se les da el nombre de
“aguas duras”.
La anterior definición sustenta las hipótesis acerca de que el aumento de la
alcalinidad y la dureza del agua de infiltración se deben a las reacciones
presentadas cuando el agua entra en contacto con el cemento de la cortina
de inyecciones de la fundación. Ver figuras 5.10 y 5.11.
60.00
50.00
Ca+2 (mg/l)
40.00
30.00
20.00
10.00
0.00
Muestreos
1. Embalse, cota
904
2. PNF-16, cota
904
3. Aforo 3, cota
880
4. Aforo 5, cota
860
5. PNF-9, cota
850
6. Drenaje natural,
cota > 928
Invierno (30 sep 2004)
11.61
31.64
42.93
31.32
20.02
6.73
Verano (02 feb 2005)
7.20
19.20
20.00
25.20
17.60
6.80
Invierno (17 may 2005)
10.40
24.30
51.30
29.20
18.40
7.41
Mg +2 (mg/l)
Figura 5.10. Análisis fisicoquímico del agua – Calcio.
10.00
9.00
8.00
7.00
6.00
5.00
4.00
3.00
2.00
1.00
0.00
1. Embalse, cota
904
2. PNF-16, cota
904
3. Aforo 3, cota
880
4. Aforo 5, cota
860
5. PNF-9, cota
850
6. Drenaje natural,
cota > 928
Invierno (30 sep 2004)
5.59
6.27
3.11
5.59
9.52
2.72
Verano (02 feb 2005)
4.40
5.80
5.40
6.60
3.90
5.10
Invierno (17 may 2005)
2.60
6.90
4.40
3.90
1.60
3.40
Muestreos
Figura 5.11. Análisis fisicoquímico del agua – Magnesio.
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IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
Potasio
Las concentraciones de potasio en el embalse Porce II se deben
principalmente a su calidad del agua, las cuales, como se describió
anteriormente, corresponden básicamente al agua residual procedente del
Área Metropolitana de Medellín. El contenido de potasio en las muestras del
embalse y el agua de los afloramientos son mayores que en las muestras del
drenaje
natural.
El
drenaje
natural
presenta
concentraciones
de
aproximadamente 1 mg/L, mientras que las del embalse y los afloramientos
de agua, muestran concentraciones mayores a 2 mg/L. Este parámetro es
muy diciente por cuanto confirma que el agua proviene del embalse, dado
que las concentraciones de potasio en los afloramientos de agua son
similares a las de éste. Ver figura 5.12.
5.00
K + (mg/l)
4.00
3.00
2.00
1.00
0.00
1. Embalse, cota
904
2. PNF-16, cota
904
3. Aforo 3, cota
880
4. Aforo 5, cota
860
5. PNF-9, cota
850
6. Drenaje natural,
cota > 928
Invierno (30 sep 2004)
3.58
2.19
3.96
3.04
3.36
1.37
Verano (02 feb 2005)
3.30
1.90
4.60
3.00
2.60
0.80
Invierno (17 may 2005)
1.12
1.25
1.09
1.14
1.25
1.14
Muestreos
Figura 5.12. Análisis fisicoquímico del agua – Potasio.
5.4.2 Arrastre de partículas
Se analizarán los siguientes parámetros para verificar si se presenta erosión
del material de relleno de las discontinuidades: turbiedad, sólidos totales,
sólidos disueltos, y sólidos suspendidos.
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LA SEGURIDAD DE LA PRESA
Turbiedad
La turbiedad es la expresión de la propiedad óptica de una muestra, la cual
causa que los rayos de luz sean dispersados y absorbidos, en lugar de ser
transmitidos en línea recta a través de la muestra.
La turbiedad en el agua puede darse por la presencia de partículas
suspendidas de sólidos tanto orgánicos como inorgánicos, con tamaños de
partícula desde el coloidal hasta macroscópicas, dependiendo del grado de
turbulencia. La eliminación de la turbiedad se lleva a cabo mediante varios
procesos entre los cuales se encuentra la filtración.
Respecto a la turbiedad, con excepción de un caso (Ver figura 5.13), se
observa que es mucho mayor en el embalse y en el drenaje natural que en
los afloramientos de agua. La muestra tomada en el piezómetro PNF-9
presenta un valor excepcional, cercano a los 40 NTU, debido posiblemente a
las partículas generadas durante el proceso de perforación. Este parámetro
por si solo indicaría que no se presenta erosión del material de relleno de las
discontinuidades, lo cual corrobora la información obtenida con la
caracterización del macizo rocoso, acerca de que las discontinuidades a
partir de aproximadamente 8 m de profundidad se encuentran relativamente
cerradas, con pátinas delgadas de óxidos, limpias o rellenas de sílice
(material insoluble en agua y de alta resistencia).
La turbiedad en el embalse es causada por elementos tales como plancton,
microorganismos y materia orgánica e inorgánica finamente dividida.
La turbiedad registrada en los afloramientos de agua es, en términos
generales, menor que la registrada en el embalse y en el drenaje natural, se
podría afirmar que el agua es filtrada de sólidos en suspensión, y que
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IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
posiblemente las partículas pequeñas orgánicas e inorgánicas son retenidas
en las discontinuidades, dando lugar a un taponamiento gradual de éstas.
Turbiedad (NTU)
40.00
35.00
30.00
25.00
20.00
15.00
10.00
5.00
0.00
1. Embalse, cota
904
2. PNF-16, cota
904
3. Aforo 3, cota
880
4. Aforo 5, cota
860
5. PNF-9, cota
850
6. Drenaje natural,
cota > 928
Invierno (30 sep 2004)
20.80
0.45
2.43
0.76
38.90
13.70
Verano (02 feb 2005)
9.30
0.80
5.00
2.70
3.40
37.20
Invierno (17 may 2005)
7.76
0.37
0.40
0.31
6.14
30.40
Muestreos
Figura 5.13. Análisis fisicoquímico del agua – Turbiedad.
•
Sólidos totales
Estrictamente, toda la materia excepto el agua contenida en materiales
líquidos es considerada como materia sólida. Una definición general de
sólidos es la que se refiere a la materia que permanece como residuo
después de evaporar una muestra de agua y secarla a una temperatura de
103 – 105 °C.
Los sólidos totales en las muestras del embalse presentan concentraciones
entre 120 y 140 mg/L, con una composición de 94% de sólidos disueltos y un
6% de sólidos suspendidos; los afloramientos de agua presentan
concentraciones entre 140 y 250 mg/L, con proporciones similares a las
muestras del embalse; las muestras del drenaje natural presentan
concentraciones entre 70 y 160 mg/L con una proporción de sólidos disueltos
del 36% contra 64% de sólidos suspendidos.
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LA SEGURIDAD DE LA PRESA
Contrario a la turbiedad, éste parámetro indica que aparentemente el agua al
transitar por las discontinuidades adquiere sólidos, en concentraciones que
Solidos totales (mg/l)
varían entre 20 y 100 ppm. Ver figura 5.14.
260
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
1. Embalse, cota
904
2. PNF-16, cota
904
3. Aforo 3, cota
880
4. Aforo 5, cota
860
5. PNF-9, cota
850
Invierno (30 sep 2004)
118
198
210
189
143
69
Verano (02 feb 2005)
135
162
171
175
143
155
Invierno (17 may 2005)
129
176
246
182
156
148
Muestreos
6. Drenaje natural,
cota > 928
Figura 5.14. Análisis fisicoquímico del agua – Sólidos totales.
•
Sólidos suspendidos
Se dividen en sedimentables y no sedimentables; los no sedimentables son
los que no se separan por acción de la gravedad y requieren filtración. Este
parámetro tiene un comportamiento similar al registrado por los sólidos
totales. También indica que el agua adquiere sólidos al pasar por las
Solidos suspendidos
(mg/l)
discontinuidades, unas 20 ppm en promedio. Ver figura 5.15.
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Muestreos
1. Embalse, cota
904
2. PNF-16, cota
904
3. Aforo 3, cota
880
4. Aforo 5, cota
860
5. PNF-9, cota
850
6. Drenaje natural,
cota > 928
Invierno (30 sep 2004)
3
26
7
23
2
7
Verano (02 feb 2005)
12
20
8
3
6
74
Invierno (17 may 2005)
3
13
8
4
27
53
Figura 5.15. Análisis fisicoquímico del agua – Sólidos suspendidos.
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Sólidos disueltos
Son denominados sólidos filtrables y son aquellos que pasan a través del
medio filtrante. En su mayoría consisten en sales inorgánicas y pequeñas
cantidades de materia orgánica. Imparten salinidad al agua, y cuando están
en forma de hidróxidos afectan la acidez. En aguas naturales consisten
básicamente en bicarbonatos, carbonatos, cloruros, sulfatos, fosfatos, nitritos
y algunas trazas de hierro y magnesio.
Los sólidos disueltos también indican arrastre del material de relleno de las
discontinuidades, dado que el contenido de sólidos disueltos en los
afloramientos de agua son un poco mayores que en el embalse. Las
Solidos disueltos
(mg/l)
concentraciones varían entre 40 y 100 ppm. Ver figura 5.16.
260
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
1. Embalse, cota
904
2. PNF-16, cota
904
3. Aforo 3, cota
880
4. Aforo 5, cota
860
5. PNF-9, cota
850
6. Drenaje natural,
cota > 928
Invierno (30 sep 2004)
115
172
203
166
141
62
Verano (02 feb 2005)
123
142
163
172
137
81
Invierno (17 may 2005)
126
163
238
178
129
95
Muestreos
Figura 5.16. Análisis fisicoquímico del agua – Sólidos disueltos.
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6. ANÁLISIS DE LOS REGISTROS DE LA INSTRUMENTACIÓN
En este capítulo se muestran y analizan los registros de los instrumentos
instalados en la parte alta y media de la margen izquierda de la presa Porce
II, con el objeto de revisar su comportamiento frente a tres aspectos:
Subpresión, infiltraciones y desplazamientos.
Durante la construcción se instalaron diversos tipos de instrumentos, los
cuales se distribuyeron en varias secciones de la presa; cerca de la zona de
investigación se instalaron piezómetros en la fundación, localizados en la
denominada sección A.
investigación,
se
Durante la ejecución de este trabajo de
instalaron
nuevos
instrumentos,
fundamentalmente,
piezómetros en la fundación, puntos de control topográfico, y puntos de aforo
en la superficie del macizo rocoso.
6.1. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA DE INSTRUMENTACIÓN
La presa Porce II cuenta con 10 tipos de instrumentos que permiten conocer
su comportamiento en cuanto a:
•
Presiones e infiltraciones,
registradas por piezómetros, pozos de
observación de nivel freático y vertederos de aforo.
•
Temperatura interna de la masa de concreto, registrada en
termómetros.
•
Desplazamientos y asentamientos medidos por extensómetros,
medidores de junta, péndulos directos e invertidos, puntos de control
superficial y medidor de asentamientos.
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Respuesta ante sismos en función de la aceleración, registrada en los
acelerógrafos.
Específicamente, en el sitio de investigación, se cuenta con piezómetros
eléctricos y de tubo abierto, los cuales sirven para evaluar la subpresión;
para evaluar los desplazamientos y asentamientos se cuenta con varios
puntos de control topográfico instalados tanto en la cresta de la presa, como
en el macizo rocoso de la margen izquierda; y para evaluar los caudales que
se infiltran a través del macizo rocoso de la margen izquierda, se cuenta con
vertederos de aforo y puntos de aforo localizados en los sitios donde se
detectaron los afloramientos de agua.
A continuación se describen algunas características generales de los
instrumentos instalados en la zona de investigación.
6.1.1 Piezómetros eléctricos
Los piezómetros eléctricos localizados en la fundación de la presa permiten
conocer el valor de la subpresión, y con ello, verificar el funcionamiento de la
cortina de impermeabilización y la cortina de drenaje. Estos piezómetros son
eléctricos de cuerda vibrante, con piedra porosa del tipo “High air entry
value”, con diámetro promedio de poros de 1 a 4 micras.
La sección que dispone de piezómetros de fundación más próxima a la zona
de investigación se localiza en la abscisa 223. Esta sección cuenta con seis
piezómetros de fundación, de los cuales cinco funcionan. La localización de
estos piezómetros se muestra en la figura 6.1 y en la tabla 6.1.
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PLANTA
SECCIÓN
Absc. 223
Figura 6.1. Localización de los piezómetros eléctricos.
6.1.2 Piezómetros de tubo abierto
Dado a que no se contaba con instrumentos en la zona superior de la
margen izquierda, comprendida entre la cresta de la presa y la abscisa 223,
se instalaron ocho piezómetros de tubo abierto. Dichos piezómetros tienen la
misma función de los piezómetros eléctricos. Son marca Sinco, y se
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LA SEGURIDAD DE LA PRESA
comunican con la superficie mediante una tubería de PVC de 25.0 mm de
diámetro. La instalación se efectuó entre los meses de junio y agosto de
2004; se instalaron ocho piezómetros en la fundación, tres de ellos desde la
galería de acceso en la cota 889.30, cuatro desde la galería de acceso en
cota 850.30, y uno en la parte exterior en el contacto entre la cara aguas
abajo de la presa y el estribo izquierdo. La localización de estos piezómetros
se muestra en la tabla 6.2 y en la figura 6.2.
PLANTA
SECCIÓN POR LA
GALERÍA 850.30
SECCIÓN POR LA
GALERÍA 889.30
Figura 6.2. Localización de los piezómetros de tubo abierto.
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CÓDIGO
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LOCALIZACIÓN
Abscisa (m)
Ordenada (m)
Cota (msnm)
PA1
223.00
3.30
836.65
PA2
223.00
-8.70
833.06
PA3
223.00
-20.70
840.45
PA4
223.00
-32.70
838.58
PA5
223.00
-44.70
834.12
PA6
223.00
-56.70
833.00
Tabla 6.1. Localización de los piezómetros eléctricos instalados en la zona
de investigación.
Código
piezómetro
PNF-9
PNF-10
PNF-11
PNF-12
PNF-13
PNF-14
PNF-15
PNF-16
Localización
Galería de acceso cota
850.30
Galería de acceso cota
850.30
Galería de acceso cota
850.30
Galería de acceso cota
850.30
Galería de acceso cota
889.30
Galería de acceso cota
889.30
Galería de acceso cota
889.30
Exterior, contacto MuroRoca
Cota de
instalación
(msnm)
Cota
superior
(msnm)
Prof.
(m)
846.82
850.82
4.0
845.82
850.52
4.7
846.49
850.49
4.0
846.56
850.56
4.0
886.10
890.10
4.0
885.51
889.51
4.0
885.47
889.47
4.0
904.04
904.04
6.0
Tabla 6.2. Localización de los piezómetros de tubo abierto.
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6.1.3 Puntos de control topográfico
Sirven para evaluar los movimientos horizontales y verticales. Se encuentran
instalados sobre la superficie de la cresta de la presa de concreto, y el
macizo rocoso de la margen izquierda.
Los puntos de control localizados en la cresta de la presa se instalaron
durante la construcción de la presa; consisten en pernos, de cabeza redonda
y lisa, incrustados en una perforación realizada directamente sobre la cresta.
Los puntos de control localizados en el macizo rocoso de la margen izquierda
se instalaron en el mes de agosto de 2004, como parte de este trabajo de
investigación; consisten en una varilla No.8 galvanizada, incrustada en la
roca y embebida en un pedestal de concreto. La localización de los puntos
de control se presenta en la tabla 6.3 y en la figura 6.3.
CÓDIGO
LOCALIZACIÓN
Coordenada Norte
Coordenada Este
Cota (msnm)
S1
44144.597
81549.376
S2
44216.699
81569.958
928.008
S3
44283.977
81589.265
928.193
S4
44351.251
81608.591
928.189
S16
44253.595
81537.826
891.635
S17
44316.555
81533.229
860.233
S18
44376.570
81525.644
836.653
Tabla 6.3. Características de instalación de los puntos de control topográfico
localizados en la zona de interés.
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Aguas abajo
MARGEN
IZQUIERDA
S-18
S-16
S-17
S-10
S-15 S-1
S-2
S-3
S-4
S-5
S-6
S-7
S-8
S-9
Aguas arriba
Sitio de
investigación
S-11
S-12
S-13
Figura 6.3. Localización de los puntos de control topográfico.
6.1.4 Vertederos de aforo y puntos de aforo
La función de los vertederos de aforo es registrar el caudal de infiltración a
través del macizo rocoso. Desde marzo de 2003 se construyeron dos
vertederos de aforo, uno localizado en la parte alta, cota 880, y el otro en la
parte baja, cota 830. Estos instrumentos están compuestos por un tanque de
aquietamiento, una cuchilla de desbordamiento (vertedero triangular de 90º)
y una mira para medición del nivel de agua.
Adicionalmente, para monitorear los afloramientos de agua se ubicaron cinco
puntos de aforo en las discontinuidades que presentan flujo. El monitoreo se
realiza mediante aforo volumétrico.
La localización de los vertederos de aforo y puntos de aforo se presenta en la
tabla 6.4 y en la figura 6.4.
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LOCALIZACIÓN
CÓDIGO
Coordenada Norte Coordenada Este
Cota (msnm)
MI-4
1244356
881530
880
MI-5
1244408
881535
830
1
1244356
881548
905
2
1244369
881551
895
3
1244398
881543
880
4
1244401
881522
846
5
1244444
881541
860
Tabla 6.4. Localización de los vertederos de aforo (M-I) y puntos de aforo.
MARGEN
IZQUIERDA
4
2
MI-4 Aguas abajo
5
MI-5
3
1
Aguas arriba
Sitio de
investigación
Punto de aforo
Medidor de infiltraciones
Figura 6.4. Localización de los vertederos de aforo (MI) y puntos de aforo.
6.2. ANÁLISIS DE LAS LECTURAS DE LOS INSTRUMENTOS
A continuación se presenta el resultado de los análisis de los registros de los
instrumentos localizados en la zona de investigación, para el período
comprendido entre febrero de 2001 y mayo de 2005, el cual corresponde a la
etapa del llenado del embalse más 4.3 años de operación del mismo.
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Con los registros de la instrumentación se pretende determinar el
comportamiento de la presa frente a tres aspectos fundamentales: la
subpresión, los desplazamientos y las infiltraciones.
Para el análisis se emplearon gráficas de los registros de los instrumentos,
los cuales se analizaron teniendo en cuenta su localización con respecto al
embalse, las fluctuaciones de éste y el régimen de lluvias.
6.2.1 Análisis de la subpresión
La subpresión se analiza a partir de los registros de los piezómetros
eléctricos y de tubo abierto. En las figuras 6.7 a 6.9 se presenta la variación
en el tiempo de los registros de los piezómetros tanto eléctricos como de
tubo abierto localizados en la zona de investigación. La figura 6.7, presenta
un vacío de información debido a que el sistema de transmisión de la
instrumentación presentó problemas entre los años 2001 y 2002.
El piezómetro eléctrico PA-1 localizado aguas arriba de las cortinas de
inyecciones y drenaje, registra aproximadamente 32 m de columna de agua,
esto es, unos 50 m por debajo de la presión generada por el embalse, es
decir, muestra una reducción importante de la presión, cerca del 65%; lo
anterior indica que la permeabilidad del macizo rocoso en ese sector es baja
ó que las inyecciones llegaron hasta dicho sector. La situación anterior es
deseable, por cuanto la subpresión disminuye significativamente aún antes
de las cortinas de inyecciones y drenaje.
Los piezómetros eléctricos localizados aguas abajo de las cortinas de
inyecciones y drenajes, es decir, del PA-2 al PA-5, muestran una disminución
significativa de la subpresión, entre el 83 y el 99%, respecto a la presión
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generada por el embalse, siendo el piezómetro PA-2, localizado hacia el
extremo de aguas arriba, el que registra menor reducción, con un 83%. Ver
tabla 6.5. y figura 6.5.
Presión (mH2O)
0
5
10
5.2
15
20
25
30
35
4.0
0.5
6.6
15.6
32.1
Figura 6.5. Distribución de la subpresión con nivel normal de embalse.
Sección de la abscisa 223.
Respecto a los piezómetros instalados durante este trabajo de investigación,
es decir, los de tubo abierto, se observa que el porcentaje de reducción de la
subpresión varía entre un 81 y 100%. Los piezómetros instalados desde la
galería de acceso de la cota 889.30 registran una reducción del 87% en
promedio, mientras que los localizados en la 850.30, en un 98%. El
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piezómetro localizado en la parte externa, en el contacto entre la presa y la
margen izquierda, registra una disminución del 81%.
De acuerdo con lo
anterior, se observa que la disminución de la subpresión a lo largo de las
galerías de acceso es mayor al 67%. Ver tabla 6.6 y figura 6.6.
Sección por la galería de acceso
de la cota 850.30 msnm
Sección por la galería de acceso
de la cota 889.30 msnm
Presión (mH2O)
0
5
10
4
0.2
1.2
0.7
15
20
Presión (mH2O)
0
5
10
3.7 4
0
3.6
15
20
25
30
35
25
30
35
Figura 6.6. Distribución de la subpresión con nivel normal de embalse.
Sección por el acceso a las galerías de drenaje.
Es importante mencionar que hacia el extremo izquierdo de la presa la
subpresión presenta menor disminución. Lo anterior se debe principalmente
a que dicho sector no cuenta con cortina de drenajes; las perforaciones solo
se llevaron a cabo hasta el tope de la galería longitudinal, en abscisa 107
aproximadamente.
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Piezómetros
Presión del
embalse
(mH2O) Código
90.6
Subpresión
Nivel promedio
antes del
llenado (msnm)
Nivel promedio
durante
operación
(msnm)
Presión
(mH2O)
% de
reducción
PA1
835.0
867.1
32.1
65
PA2
831.6
847.2
15.6
83
Cumple
PA3
840.0
845.2
5.2
94
Cumple
PA4
836.5
840.5
4.0
96
Cumple
PA5
833.3
839.9
6.6
93
Cumple
PA6
833.5
834.0
0.5
99
Cumple
Estado
Tabla 6.5. Porcentaje de reducción de la subpresión en la abscisa 223, según
los registros de los piezómetros eléctricos.
Piezómetros
Presión
del
embalse
(mH2O)
68.3
29.3
20.6
Subpresión
Código
Cota de
instalac.
Nivel
promedio
durante
operación
(msnm)
PNF-9
846.8
850.8
4.0
94
Cumple
Galería
PNF-10
845.8
846.0
0.2
100
Cumple
850.30
PNF-11
846.5
847.7
1.2
98
Cumple
PNF-12
846.6
847.3
0.7
99
Cumple
PNF-13
886.1
889.8
3.7
87
Cumple
PNF-14
885.5
889.5
4.0
86
Cumple
PNF-15
885.5
889.1
3.6
88
Cumple
PNF-16
898.0
901.9
3.9
81
Cumple
Localiz.
Galería
889.30
Exterior
Presión
(mH2O)
% de
reducción
Estado
Tabla 6.6. Porcentaje de reducción de la subpresión en las galerías de
acceso, según los registros de los piezómetros de tubo abierto.
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930
PA-2
PA-1
920
PA-3
PA-4
910
PA-5
PA-6
Cota (msnm)
NIVEL DEL EMBALSE - N.E.Inicio llenado Febreo 19 de 2001 12:30 pm
desde la cota 820.00 msnm
N.E.
900
890
880
870
860
850
840
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
830
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
ABSC 223
ABSC 223
EJE DE
LA PRESA
1997
PLANTA
SECCIÓN LONGITUDINAL
Figura 6.7. Registro de los piezómetros eléctricos localizados en la fundación, abscisa 223.
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Precipitación diaria (mm)
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Julio
Agosto
Septiembre
Octubre
Noviembre
Diciembre
Enero
Febrero
Marzo
2004
Abril
Mayo
Junio
Abril
Mayo
Junio
2005
930
920
910
Cota (msnm)
900
890
880
870
860
PNF-12
PNF-11
PNF-10
PNF-9
N.E.
850
840
Julio
Agosto
Septiembre
Octubre
Noviembre
Diciembre
Enero
2004
Eje de la galería de acceso 889.30,
en la fundación de la presa
PNF-15
PNF-16
PNF-14
Marzo
2005
AGUAS ABAJO
MARGEN IZQUIERDA
Febrero
PNF-12
SECCIÓN
Eje de la galería de
PNF-11
acceso 850.30,
en la fundación de la
presa
PNF-10
PNF-13
CRESTA
PLANTA
PNF-13
14
PNF-9
10
15
PNF-9
AGUAS ARRIBA
11
Figura 6.8. Registro de los piezómetros de tubo abierto localizados en la
galería de acceso de la cota 850.30 msnm.
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Precipitación diaria (mm)
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Julio
Agosto
Septiembre
Octubre
Noviembre
Diciembre
Enero
Febrero
Marzo
2004
Abril
Mayo
Junio
Abril
Mayo
Junio
2005
930
920
910
Cota (msnm)
900
890
880
870
860
850
PNF-16
PNF-15
PNF-14
PNF-13
N.E.
840
Julio
Agosto
Septiembre
Octubre
Noviembre
Diciembre
Enero
2004
Eje de la galería de acceso 889.30,
en la fundación de la presa
PNF-15
PNF-16
PNF-14
Marzo
2005
AGUAS ABAJO
MARGEN IZQUIERDA
Febrero
PNF-12
SECCIÓN
Eje de la galería de
PNF-11
acceso 850.30,
en la fundación de la
presa
PNF-10
PNF-13
CRESTA
PLANTA
PNF-13
14
PNF-9
10
15
PNF-9
AGUAS ARRIBA
11
12
Figura 6.9. Registro de los piezómetros de tubo abierto localizados en la
galería de acceso de la cota 889.30 msnm.
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6.2.2 Análisis de los desplazamientos
Los desplazamientos horizontales y verticales se analizan a partir de los
registros de los puntos de control topográfico. En la tabla 6.7 y en las figuras
6.10 y 6.11 se muestra la variación en el tiempo de los desplazamientos
horizontales y verticales, registrados en los puntos localizados en la zona de
investigación, específicamente en la cresta de la presa y en el macizo rocoso
de la margen izquierda. En la figura 6.12 se muestra mediante vectores la
posición actual de los puntos de control.
En cuanto a los desplazamientos horizontales registrados en la cresta de la
presa, específicamente en el sitio de investigación, se observa que ésta
presenta un desplazamiento hacia la margen izquierda y hacia aguas arriba;
el punto de control S-2 presenta la máxima magnitud, con 5.1 cm.
En
términos generales, la presa no muestra una dirección de movimiento
definida: en su margen derecha el movimiento es hacia aguas abajo,
mientras que en la margen izquierda, el movimiento es hacia aguas arriba.
Respecto a los desplazamientos verticales en la zona de investigación, se
observa que la presa presenta asentamientos que varían entre 0.3 y 0.9 cm.
Respecto a los desplazamientos horizontales del macizo rocoso, se observa
que actualmente no hay una tendencia definida, esto es, el punto de control
S-17 muestra desplazamiento hacia aguas arriba, mientras que los puntos de
control S-16 y S-18, muestran desplazamientos hacia aguas abajo; la
magnitud del movimiento registrada por estos puntos es inferior a 3.0 cm. En
cuanto a los desplazamientos verticales, se observa que el macizo rocoso
presenta asentamientos menores a 1.5 cm.
La principal consecuencia a causa de problemas de subpresión es que la
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presa experimente levantamiento. Los puntos de control topográfico, por el
contrario, muestran que tanto la presa como el macizo rocoso presentan
asentamientos. Lo anterior es consecuente con la información registrada por
los piezómetros, que indican que la subpresión está controlada.
El monitoreo de los puntos de control topográfico inició en febrero de 2001,
fecha en la cual se llenó el embalse. Específicamente, para este trabajo de
investigación, se efectuaron tres levantamientos topográficos; es posible que
el movimiento horizontal errático de la presa se deba a condiciones
ambientales tales como los cambios de temperatura, o a errores obtenidos
durante
dichos
levantamientos,
los
cuales
se
efectúan
mediante
procedimientos convencionales: triangulación y nivelación. En todo caso, los
movimientos horizontales registrados se consideran bajos.
Punto de control
S-1
S-2
S-3
S-4
S-16
S-17
S-18
-1.3
-3.1
-2.7
-2.2
-0.6
0.7
-0.5
1.3
-4.1
-4.1
0.62
2.7
-2.0
1.9
1.8
5.1
4.9
2.3
2.8
2.1
2.0
___
-0.3
-0.3
-09
-1.5
-1.3
Desplazamiento
acumulado paralelo (cm)
Desplazamiento
acumulado perpend. (cm)
Magnitud de la resultante
acumulada (cm)
Desplazamiento
acumulado vertical (cm)
-1.1
Convenciones
Desplazamiento paralelo +: Movimiento hacia la margen derecha
Desplazamiento paralelo - : Movimiento hacia la margen izquierda
Desplazamiento perpendicular +: Movimiento hacia aguas abajo
Desplazamiento perpendicular - : Movimiento hacia aguas arriba
Desplazamiento vertical +: Levantamiento
Desplazamiento vertical - : Asentamiento
Tabla 6.7
Desplazamiento actual registrado en los puntos de control
topográfico.
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Margen derecha
4
3
2
1
-2
2002
2003
2004
12
9
8
7
6
5
4
3
2
1
12
11
9
8
10
7
6
5
4
3
2
1
12
9
11
10
8
7
6
5
4
3
2
1
12
11
9
8
10
7
6
5
4
3
2
1
12
9
11
8
10
7
6
5
4
3
2
1
2001
11
-4
10
S-1
S-2
S-3
S-4
-3
-5
2005
5
Aguas abajo
4
3
2
1
Aguas arriba
0
-1
-2
2001
2002
2003
2004
9
8
7
6
5
4
3
2
1
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
-5
12
-4
11
S-1
S-2
S-3
S-4
-3
1
Desplazam/to PERPENDICULAR (cm)
Margen izquierda
0
-1
10
Desplazamiento PARALELO (cm)
5
2005
Levantamiento
4
3
2
1
Hundimiento
0
-1
-2
2001
2002
2003
2004
9
8
7
6
5
4
3
2
1
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
-5
12
-4
11
S-2
S-3
S-4
-3
10
Desplazamiento VERTICAL (cm)
5
2005
AGUAS ABAJO
MARGEN
DERECHA
MARGEN
IZQUIERDA
S-3
S-15
S-1
S-4
S-5
S-6
S-7
S-8
S-10
S-11
S-9
S-2
S-12
S-13
AGUAS ARRIBA
PLANTA
S-14
Figura 6.10. Registro de los puntos de control topográfico localizados en la
zona de investigación - cresta de la presa.
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75
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IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
Margen derecha
4
3
2
1
-2
-3
2002
2003
2004
12
9
11
8
7
6
5
4
3
2
1
12
11
9
8
10
7
6
5
4
3
2
1
12
9
11
8
10
7
6
5
4
3
2
1
12
11
9
8
10
7
6
5
4
3
2
1
12
9
11
8
10
7
6
5
4
3
2
1
2001
10
S-16
S-17
S-18
-4
-5
2005
7
6
Aguas abajo
5
4
3
2
1
2001
2002
2003
2004
12
11
8
7
6
5
4
3
2
1
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
-3
10
S-16
S-17
S-18
-2
Aguas arriba
0
-1
1
Desplazam/to PERPENDICULAR (cm)
Margen izquierda
0
-1
9
Desplazamiento PARALELO (cm)
5
2005
Levantamiento
4
3
2
1
Hundimiento
0
-1
-2
-3
2001
2002
2003
12
11
8
7
6
5
4
3
2
1
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
-5
10
S-16
S-17
S-18
-4
9
Desplazamiento VERTICAL (cm)
5
2005
2004
AGUAS ABAJO
S-18
S-17
MARGEN
IZQUIERDA
S-3
S-15
S-1
MARGEN
DERECHA
S-16
S-4
S-5
S-6
S-7
S-8
S-10
S-11
S-9
S-2
S-12
S-13
AGUAS ARRIBA
PLANTA
S-14
Figura 6.11. Registro de los puntos de control topográfico localizados en la
zona de investigación - macizo rocoso.
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76
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IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
S-18
MARGEN
IZQUIERDA
S-17
MARGEN
DERECHA
AGUAS ABAJO
S-16
S-3
S-15
S-1
S-4
S-5
S-6
S-7
S-9
S-8
S-10
S-2
S-11
S-12
S-13
AGUAS ARRIBA
S-14
Posición
actual
Posición
inicial
S-4
-2.16
0.63
2.25
-0.90
S-5
-1.06
1.88
2.16
3.00
S-6
-2.76
-0.90
2.90
1.50
Desplazamiento
hacia la margen
izquierda
S-7
-1.95
3.18
3.74
1.70
S-8
-2.68
2.46
3.64
3.70
S-9
-2.14
0.95
2.34
0.90
S-10
-2.93
2.59
3.91
-11.40
Fecha última lectura
08-Mar-05
S-11
S-12
S-13
S-14
S-15
-7.44
-2.30
-3.24
0.73
-1.62
-0.16
-2.85
0.42
-0.73
4.22
1.03
7.45
3.66
3.27
4.52
-8.50
-3.70
-3.70
-6.40
Desplazamiento
hacia la margen
derecha
5
4
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
Desplazamiento
paralelo (cm)
Desplazamiento Desplazamiento
hacia aguas
hacia aguas
arriba
abajo
S-3
-2.67
-4.10
4.89
-0.30
Desplazamiento
perpendicular (cm)
INFORMACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS
CÓDIGO
S-1
S-2
Desplaz. acumulado paralelo (cm)
-3.09
-1.31
Desplaz. acumulado perpendicular (cm)
-4.11
1.29
Magnitud de la resultante acum. (cm)
1.84
5.14
Desplaz. acumulado vertical (cm)
-0.30
Figura 6.12. Posición actual de los puntos de control topográfico.
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IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
6.2.3 Análisis de las infiltraciones
Las infiltraciones se analizan a partir de los registros de los vertederos de
aforo y de los puntos de aforo. En las figuras 6.13 y 6.14 se muestra la
variación en el tiempo de los caudales registrados.
El vertedero MI-4 registra todas las infiltraciones que se presentan a través
de las discontinuidades del macizo rocoso. Éste ha mostrado caudales entre
0.7 y 2.1 l/s y sus variaciones están relacionadas, directamente proporcional,
con las del nivel del embalse. El vertedero MI-5 se localiza cerca de la zona
de investigación; dicho instrumento ha registrado caudales que han variado
entre 0.1 y 0.8 l/s; al igual que el MI-4, éste también registra variaciones que
se relacionan con las del nivel del embalse. Ambos instrumentos muestran
un tiempo de respuesta (time lag) de aproximadamente 3 días.
Respecto a los puntos de aforo localizados hacia el extremo izquierdo, es
decir, en la zona superior, éstos presentan caudales menores que los
localizados en zona inferior; lo anterior es lógico puesto que se presenta
acumulación de agua a medida que el nivel decrece. Los caudales tomados
el 10 de noviembre de 2004, mostrado en la figura 6.14, presentan valores
que se salen de la tendencia, debido a que el aforo fue realizado por una
persona sin experiencia. La discontinuidad que presenta mayor caudal de
infiltración, una vez descartado el valor errado, es la localizada en la cota
855, abscisa 175 aproximadamente (aforo 5); éste ha variado entre 0.0 y 0.6
l/s. Las variaciones de los caudales registrados en los puntos de aforo están
relacionadas con las del nivel del embalse, también, en este caso, el tiempo
de respuesta es de aproximadamente 3 días.
No se observa que los registros de los vertederos de aforo y puntos de aforo
tiendan a incrementarse con el tiempo.
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78
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IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
Nivel de embalse (msnm)
926
924
922
920
918
916
914
912
2001
2002
2003
12
9
11
10
8
7
6
5
4
3
2
1
12
11
9
8
10
7
6
5
4
3
2
1
12
9
11
8
10
7
6
5
4
3
2
1
12
11
9
8
10
7
6
5
4
3
2
1
12
9
11
8
10
7
6
5
4
3
2
1
910
2005
2004
Precipitación mensual (mm)
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
10
11
12
12
9
8
7
6
11
2004
2003
5
4
3
2
1
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
12
11
10
9
8
7
2002
10
2001
6
5
4
3
2
1
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
2005
2.5
Caudal (l/s))
2.0
1.5
1.0
MI-4
0.5
MI-5
2001
2002
MARGEN
IZQUIERDA
MI-4
9
8
7
6
5
4
3
2
1
12
11
10
9
8
7
6
2004
2003
PLANTA
5
4
3
2
1
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0.0
2005
MARGEN
DERECHA
MI-5
Figura 6.13. Registro de los vertederos de aforo.
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IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
Nivel de embalse (msnm)
926
924
922
920
918
916
914
912
910
Julio
Agosto
Octubre
Septiembre
Noviembre
Diciembre
Enero
Febrero
Marzo
2004
Abril
Mayo
Junio
Abril
Mayo
Junio
2005
Precipitación diaria (mm)
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Julio
Agosto
Septiembre
Octubre
Noviembre
Diciembre
Enero
Febrero
Marzo
2004
2005
1.00
Aforo 1
0.90
Aforo 2
0.80
Aforo 3
Caudal (l/s)
0.70
Aforo 4
0.60
Aforo 5
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00
Julio
Agosto
Septiembre
Octubre
Noviembre
Diciembre
Enero
Febrero
Mayo
Junio
2005
5
2
Abril
Marzo
2004
4
MI-5
Ag u as ab ajo
3 MI-4
1
Ag u as ar r ib a
Figura 6.14. Registro de caudales en los puntos de aforo.
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80
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IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
7. DETERMINACIÓN DE LA PERMEABILIDAD
En este capítulo se estima el coeficiente de permeabilidad (k) del macizo
rocoso de la margen izquierda de la presa, a partir de tres procedimientos,
dos directos y uno indirecto, estos son:
•
Los ensayos de permeabilidad Lugeon realizados durante la etapa de
diseño, y durante este trabajo de investigación.
•
El análisis de las infiltraciones y las trayectorias de flujo, y,
•
El nomograma propuesto Louis (1967) y presentado por Hoek E. &
Bray en el libro Rock Slope Engineering.
Los procedimientos descritos consideran que la permeabilidad del materila
rocoso es despreciable comparada con la de las discontinuidades, por lo
tanto, la permeabilidad de la roca, en este trabajo de investigación, está
definida como la capacidad de tránsito del agua a través de las
discontinuidades.
La información de este capítulo complementa la presentada en la primera
tesis de maestría, es decir, la que analiza y evalúa los factores que producen
el flujo, en la cual se elaboraron y analizaron perfiles de contornos de RQD,
toma de lechada de inyección, y abertura de las discontinuidades, con el
objeto de estimar cualitativa y gráficamente zonas potenciales de
conductividad hidráulica.
7.1 PERMEABILIDAD A PARTIR DE ENSAYOS LUGEON
7.1.1 Ensayos efectuados durante la etapa de diseño
Para determinar las propiedades geomecánicas de los suelos y rocas de la
FLUJO A TRAVÉS DEL MACIZO ROCOSO DE LA FUNDACIÓN DE LA PRESA PORCE II
81
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IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
fundación de la presa y obras anexas, se efectuaron 4.615 m de perforación,
distribuidas en 90 perforaciones.
Específicamente en el sitio de presa se efectuaron 64 ensayos de
permeabilidad Lugeon, distribuidos en 21 perforaciones. Dichos ensayos
tenían la finalidad de determinar el grado de fracturamiento de la roca y con
ello su permeabilidad, para posteriormente, proyectar inyecciones de lechada
en caso de ser necesario.
El análisis de los ensayos arrojó que la roca, tanto la cornubiana como la
cuarzodiorita, presentaban baja permeabilidad, salvo en los siguientes sitios
de la margen izquierda identificados con las siguientes perforaciones (Ver
localización en la figura 7.1):
•
PP- 169, En el eje de la presa, en cornubiana horizonte III, del perfil de
meteorización definido por Deere y Patton, con 17 Lugeones. Ver
figura 7.2.
•
PP-170, en el eje de la presa, en roca cornubiana horizonte IIB con 9
Lugeones, y en horizonte III, 9 Lugeones. Ver figura 7.3.
•
PP-172, bajo el cuerpo de la presa, zona del vertedero, en cornubiana,
horizonte IIB, 9 Lugeones. Ver figura 7.4.
De acuerdo con la información anterior y con la obtenida en la margen
derecha, se concluyó que las zonas más permeables estaban por el eje de la
presa, por lo que se recomendó una cortina de inyecciones en dicho sitio.
FLUJO A TRAVÉS DEL MACIZO ROCOSO DE LA FUNDACIÓN DE LA PRESA PORCE II
82
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Figura
de
7.1.
Localización
las
IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
perforaciones
que
mostraron
alta
permeabilidad en la margen izquierda.
PP-169, Ensayo 1
Tramo ensayado: 22.5 - 25.5 m.
PP-169, Ensayo 2
Tramo ensayado: 17.5 - 20.5 m.
20.0
PERMEABILIDAD LUGEON(uL)
PERMEABILIDAD LUGEON(uL)
20.0
18.0
16.0
14.0
12.0
10.0
8.0
6.0
4.0
2.0
0.0
18.0
16.0
14.0
12.0
10.0
8.0
6.0
4.0
2.0
0.0
4.9
7.4
12.4
7.4
4.9
PRESIÓN TOTAL (kg/cm2)
2.4
4.6
7.1
12.1
7.1
4.6
2.1
PRESIÓN TOTAL (kg/cm2)
Figura 7.2 Resultados del ensayo Lugeon efectuado en la perforación PP169.
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83
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PP-170, Ensayo 1
Tramo ensayado: 24.0 - 27.0 m.
PP-170, Ensayo 2
Tramo ensayado: 21.0 - 24.0 m.
20.0
PERMEABILIDAD LUGEON(uL)
20.0
PERMEABILIDAD LUGEON(uL)
IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
18.0
16.0
14.0
12.0
10.0
8.0
6.0
4.0
2.0
0.0
18.0
16.0
14.0
12.0
10.0
8.0
6.0
4.0
2.0
0.0
5.2
7.7
9.7
7.7
5.2
2.7
4.9
PRESIÓN TOTAL (kg/cm2)
7.4
7.4
4.9
2.4
2.4
PRESIÓN TOTAL (kg/cm2)
Figura 7.3 Resultados del ensayo Lugeon efectuado en la perforación PP170.
PP-172, Ensayo 1
Tramo ensayado: 35.2 - 38.2 m.
PERMEABILIDAD LUGEON(uL)
20.0
18.0
16.0
14.0
12.0
10.0
8.0
6.0
4.0
2.0
0.0
4.4
6.9
11.9
6.9
4.4
1.9
PRESIÓN TOTAL (kg/cm2)
Figura 7.4 Resultados del ensayo Lugeon efectuado en la perforación PP172.
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84
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IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
7.1.2 Ensayos efectuados durante el trabajo de investigación
•
Generalidades del ensayo
Como parte de los trabajos de campo propuestos para esta investigación, se
realizaron tres ensayos Lugeon con el objeto de comparar los resultados
obtenidos con los de la etapa de diseño, y conocer la permeabilidad de la
zona subsuperficial de la margen izquierda de la presa.
Los ensayos se efectuaron en la perforación P-8 (ver figura 7.1), la cual se
utilizó posteriormente para instalar un piezómetro de tubo abierto,
denominado PNF-16. El equipo utilizado estuvo conformado, entre otros, por
una bomba de inyección, un manómetro, un cuenta_litros y un sistema de
obturación (simple) tal como se muestra en la figura 7.5.
hm
ZNF
Donde:
Zo
ZF
hm: Altura del manómetro
Zo: Profundidad del obturador
ZF: Profundidad del ensayo
ZNF: Profundidad del nivel
freático
Figura 7.5. Esquema del ensayo de permeabilidad Lugeon.
La selección del sitio para efectuar el ensayo fue en común acuerdo con el
director de este trabajo de investigación, considerando que éste debía
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85
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IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
presentar afloramiento de agua y representar el sistema de discontinuidades.
Ver fotografías del anexo 2.
Los ensayos se efectuaron en tramos de 1 m, aislándolos mediante un
obturador en la parte superior. La presión en cada tramo fue aplicada
escalonadamente, tanto en ascenso como en descenso, registrando durante
10 minutos, el volumen de agua tomado en cada nivel de presión.
Las
presiones aplicadas variaron entre 0 y 6 bares, con intervalos de presión de
0.5 bares. Estas presiones fueron seleccionadas teniendo en cuenta el rango
de presiones del embalse en el sitio ensayado, el cual varía entre 2 y 4.5
bares.
•
Resultados y análisis
Los resultados de los ensayos se muestran en las figuras 7.6 a 7.8, en las
cuales se indica la presión total contra el caudal infiltrado y, presión total
contra permeabilidad Lugeon. En el anexo 3 se muestran los registros de
campo detallados, con los cuales se efectuaron los cálculos y gráficas
descritas.
El intervalo comprendido entre 3.0 y 4.0 m muestra una relación inversa
entre los valores de la permeabilidad Lugeon y las presiones, lo que indica
que el flujo en este intervalo es turbulento. En este caso, el valor de la
permeabilidad Lugeon corresponde al de la presión más alta, siendo ésta de
25 uL. Las discontinuidades en este intervalo tienden a obstruirse, dado que
se observa una disminución progresiva de los valores de la permeabilidad a
medida que se aumenta la presión.
El intervalo comprendido entre 4.0 y 5.0 m difiere del anterior, ya que la
permeabilidad Lugeon es aproximadamente igual para diferentes presiones,
FLUJO A TRAVÉS DEL MACIZO ROCOSO DE LA FUNDACIÓN DE LA PRESA PORCE II
86
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DE COLOMBIA- SEDE MEDELLÍN
MAESTRÍA EN INGENIERÍA ÁREA GEOTECNIA
IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
adicionalmente, la relación entre el caudal infiltrado y la presión aplicada es
lineal, lo que indica que el flujo es Laminar. Para este intervalo, el valor
representativo de la permeabilidad es de 47 uL. El comportamiento de las
discontinuidades frente a la presión aplicada es errático.
El ensayo efectuado en el intervalo comprendido entre 5.0 y 6.0 m indica que
el flujo es laminar, dado que los valores de la permeabilidad Lugeon son, con
algunas
excepciones,
aproximadamente
iguales
para
las
presiones
aplicadas. La permeabilidad Lugeon correspondiente para este intervalo es
de 5 uL. Las discontinuidades experimentan una ligera tendencia a la
dilatación, es decir, se presenta una relación directa entre la permeabilidad y
la presión aplicada.
FLUJO A TRAVÉS DEL MACIZO ROCOSO DE LA FUNDACIÓN DE LA PRESA PORCE II
87
Permeabilidad en
Caudal infiltrado
unidades Lugeon
(l/min)
(uL)
0.83
7.00
84.2
1.33
8.20
61.6
1.83
9.30
50.8
2.33
9.20
39.5
2.83
10.60
37.4
3.33
11.40
34.2
3.83
12.50
32.6
4.33
13.10
30.2
4.83
14.30
29.6
5.33
11.20
21.0
5.83
11.10
19.0
6.33
15.50
24.5
5.83
12.70
21.8
5.33
9.90
18.6
4.83
9.30
19.3
4.33
8.00
18.5
3.83
7.50
19.6
3.33
9.60
28.8
2.83
8.10
28.6
2.33
6.80
29.2
1.83
6.20
33.9
1.33
4.10
30.8
0.83
IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
2.90
PERMEABILIDAD LUGEON
34.9
INTERVALO DE PROFUNDIDAD 3.0 - 4.0 m
ENSAYO 1
18.0
CAUDAL INFILTRADO (l/min)
Presion total
2
(kg/cm )
MAESTRÍA EN INGENIERÍA ÁREA GEOTECNIA
16.0
14.0
12.0
10.0
8.0
6.0
4.0
2.0
0.0
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
PRESIÓN TOTAL (kg/cm2)
INTERVALO DE PROFUNDIDAD 3.0 - 4.0 m
ENSAYO 1
PERMEABILIDAD LUGEON (uL)
UNIVERSIDAD NACIONAL
DE COLOMBIA- SEDE MEDELLÍN
100.0
90.0
80.0
70.0
60.0
50.0
40.0
30.0
20.0
10.0
0.0
0.8
1.8
2.8
3.8
4.8
5.8
5.8
4.8
3.8
2.8
1.8
0.8
PRESIÓN TOTAL (kg/cm2)
24.5
Figura 7.6. Resultados del ensayo Lugeon para el intervalo comprendido entre 3.0 y 4.0 m.
FLUJO A TRAVÉS DEL MACIZO ROCOSO DE LA FUNDACIÓN DE LA PRESA PORCE II
88
Presion total
Caudal infiltrado
Permeabilidad en
unidades Lugeon
0.89
7.20
81.1
1.39
8.70
62.7
1.89
8.90
47.1
2.39
10.30
43.1
2.89
12.90
44.7
3.39
15.30
45.2
3.89
16.80
43.2
4.39
21.00
47.9
4.89
22.90
46.8
5.39
24.80
46.0
5.89
28.80
48.9
6.39
34.20
53.5
5.89
29.60
50.3
5.39
25.80
47.9
4.89
21.70
44.4
4.39
18.60
42.4
3.89
16.40
42.2
3.39
14.50
42.8
2.89
12.70
44.0
2.39
9.90
41.5
1.89
7.40
39.2
1.39
5.30
38.2
0.89
3.40
38.3
PERMEABILIDAD LUGEON
IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
INTERVALO DE PROFUNDIDAD 4.0 - 5.0 m
ENSAYO 2
CAUDAL INFILTRADO (l/min)
MAESTRÍA EN INGENIERÍA ÁREA GEOTECNIA
40.0
35.0
30.0
25.0
20.0
15.0
10.0
5.0
0.0
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
PRESIÓN TOTAL (kg/cm2)
INTERVALO DE PROFUNDIDAD 4.0 - 5.0 m
ENSAYO 2
PERMEABILIDAD LUGEON (uL)
UNIVERSIDAD NACIONAL
DE COLOMBIA- SEDE MEDELLÍN
100.0
90.0
80.0
70.0
60.0
50.0
40.0
30.0
20.0
10.0
0.0
0.9
1.9
2.9
3.9
4.9
5.9
5.9
4.9
3.9
2.9
1.9
0.9
PRESIÓN TOTAL (kg/cm2)
47.0
Figura 7.7. Resultados del ensayo Lugeon para el intervalo comprendido entre 4.0 y 5.0 m.
FLUJO A TRAVÉS DEL MACIZO ROCOSO DE LA FUNDACIÓN DE LA PRESA PORCE II
89
Presion total
Caudal infiltrado
Permeabilidad en
unidades Lugeon
0.98
0.33
3.4
1.48
0.99
6.6
1.98
0.89
4.5
2.48
0.94
3.8
2.98
0.94
3.2
3.48
1.21
3.5
3.98
1.48
3.7
4.48
1.61
3.6
4.98
1.70
3.4
5.48
2.93
5.3
5.98
3.34
5.6
6.48
3.57
5.5
5.98
3.18
5.3
5.48
2.87
5.2
4.98
2.55
5.1
4.48
2.44
5.4
3.98
2.05
5.1
3.48
2.15
6.2
2.98
2.00
6.7
2.48
1.92
7.7
1.98
1.05
5.3
1.48
0.80
5.4
0.98
0.49
5.0
PERMEABILIDAD LUGEON
IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
INTERVALO DE PROFUNDIDAD 5.0 - 6.0 m
ENSAYO 3
CAUDAL INFILTRADO (l/min)
MAESTRÍA EN INGENIERÍA ÁREA GEOTECNIA
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
PRESIÓN TOTAL (kg/cm2)
INTERVALO DE PROFUNDIDAD 5.0 - 6.0 m
ENSAYO 3
PERMEABILIDAD LUGEON (uL)
UNIVERSIDAD NACIONAL
DE COLOMBIA- SEDE MEDELLÍN
10.0
9.0
8.0
7.0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
PRESIÓN TOTAL (kg/cm2)
5.0
Figura 7.8. Resultados del ensayo Lugeon para el intervalo comprendido entre 5.0 y 6.0
FLUJO A TRAVÉS DEL MACIZO ROCOSO DE LA FUNDACIÓN DE LA PRESA PORCE II
90
1.0
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IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
7.2 PERMEABILIDAD A PARTIR DE LOS AFLORAMIENTOS DE AGUA Y
TRAYECTORIAS DE FLUJO
La dimensión [m/s] de la permeabilidad expresa físicamente una velocidad de
infiltración. La velocidad de infiltración se define como la longitud de la
trayectoria que sigue el agua en un cierto intervalo de tiempo.
Para determinar la permeabilidad es necesario asumir que el flujo se
presenta a través de un medio poroso, por lo tanto, aplica la ley de Darcy, en
cuyo caso se tiene que:
Vd = Ki
Vi =
Vd Ki
=
n e ne
K = Vi *
ne
i
Donde:
Vd= Velocidad de descarga
K= Permeabilidad
i= Gradiente hidráulico
Vi= Velocidad de infiltración
ne= Porosidad efectiva
De acuerdo con lo anterior, para determinar K es necesario conocer las
siguientes variables: velocidad de infiltración, gradiente hidráulico y porosidad
efectiva. Las dos primeras se obtienen fácilmente, sin embargo, la última
deberá estimarse de acuerdo con las condiciones particulares de las
discontinuidades. Se considera que dicha estimación puede inducir mayor
incertidumbre en el calculo de la permeabilidad, por lo tanto, en este trabajo
de investigación, se estima la permeabilidad solo a partir de la velocidad de
infiltración, lo cual, aunque no es completamente cierto, se considera que los
resultados pueden dar un orden de magnitud de la permeabilidad del macizo
rocoso, considerando las suposiciones involucradas.
De acuerdo con lo anterior, se puede definir la velocidad de infiltración (Vi)
como:
Vi = l / t [m/s]
FLUJO A TRAVÉS DEL MACIZO ROCOSO DE LA FUNDACIÓN DE LA PRESA PORCE II
91
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IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
Donde l es la longitud de la trayectoria del agua, dada por la intersección de
las discontinuidades que presentan flujo, y t es el tiempo de respuesta (time
lag) requerido para que el agua transite por las discontinuidades. A
continuación se describe la metodología para obtener los valores de l y t
respectivamente.
7.2.1 Definición del tiempo de respuesta (time lag)
El tiempo de respuesta es el tiempo requerido para que el caudal de
infiltración, medido en los puntos de aforo y vertederos de aforo, reaccione
ante un cambio en la presión del agua, debido al cambio en la altura del nivel
del embalse.
Para determinar el tiempo de respuesta se calculó la diferencia en días,
dada por “picos” de características similares presentados tanto en la serie de
tiempo del nivel del embalse como en la serie de tiempo del caudal de
infiltración. En la figura 7.9 se indican cuatro picos en los que el tiempo
promedio de respuesta es de tres días, adicionalmente, se presenta el detalle
de los dos primeros.
7.2.2 Definición de la trayectoria de flujo y cálculo de la permeabilidad.
A partir del estudio geológico – geotécnico – estructural realizado en este
trabajo de investigación, mediante tranceptos y caracterización del macizo
rocoso, se determinaron las discontinuidades que conforman redes de
conductividad hidráulica, que propician el flujo desde el embalse hacia la
margen izquierda, aguas abajo de la presa. El análisis efectuado en dicho
estudio indicó que los planos verticales al interceptarse con subhorizontales
forman redes de conductividad hidráulica (Patiño, 2005).
FLUJO A TRAVÉS DEL MACIZO ROCOSO DE LA FUNDACIÓN DE LA PRESA PORCE II
92
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IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
4.00
925
920
2.50
915
2.00
910
1.50
0.50
0.00
MI-4
905
Nivel de embalse
2001
2002
2003
2004
1
2005
3
4
925
2.00
925
2.00
2
900
920
0.50
905
0.00
900
915
1.00
0.50
905
0.00
900
Diciembre de 2003
Detalle de 1
910
MI-5
MI-4
Nivel de embalse
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
910
1.50
Caudal (l/s)
1.00
915
920
Nivel de embalse (msnm)
MI-5
MI-4
Nivel de embalse
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
Caudal (l/s)
1.50
Mayo de 2004
Detalle de 2
Figura 7.9. Determinación del tiempo de respuesta de las infiltraciones.
La figura 7.10 corresponde a una sección por la abscisa 200, y muestra la
intercepción de las discontinuidades que conforman redes de conductividad
hidráulica. La longitud del conducto más corto por donde transita el agua es
de 80 m aproximadamente.
FLUJO A TRAVÉS DEL MACIZO ROCOSO DE LA FUNDACIÓN DE LA PRESA PORCE II
93
Nivel de embalse (msnm)
1.00
MI-5
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Caudal (l/s)
3.00
Nivel de embalse (msnm)
3.50
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IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
Eje de la presa
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Figura 7.10. Definición de la trayectoria del flujo en la fundación.
De acuerdo con los resultados, la permeabilidad del macizo rocoso,
considerando las limitaciones descritas, es del orden de 3 x 10-4
m/s,
indicando que la roca es predominantemente impermeable.
7.3 PERMEABILIDAD TEÓRICA
La permeabilidad se puede obtener mediante propuestas teóricas. Para este
trabajo de investigación se acogió el nomograma propuesto Louis (1967) y
presentado por Hoek E. & Bray en el libro Rock Slope Engineering; a partir
de dicho nomograma es posible estimar la permeabilidad del macizo rocoso,
conociendo
la
abertura
de
las
discontinuidades
y
el
número
de
discontinuidades por metro. Ver figura 7.11.
FLUJO A TRAVÉS DEL MACIZO ROCOSO DE LA FUNDACIÓN DE LA PRESA PORCE II
94
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IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
1.0E+01
Coeficiente de permeabilidad - k (cm/s)
1.0E+00
100 discontinuidades / metro
10 discontinuidades / metro
1 discontinuidad / metro
1.0E-01
1.0E-02
1.0E-03
1.0E-04
1.0E-05
1.0E-06
1.0E-07
1.0E-08
0.001
0.01
0.1
Abertura de la discontinuidad - e (cm)
Figura 7.11. Influencia de la abertura de las discontinuidades y su
espaciamiento en el coeficiente de permeabilidad (Louis 1967)
Para determinar la abertura de las discontinuidades se obtuvo información
del análisis estadístico efectuado a los datos obtenidos mediante la
metodología de traceptos.
Dicho análisis indicó que el 24.5% de las discontinuidades levantadas
mostraron flujo, de las cuales, el tipo predominante son las diaclasas con un
79.7%, y se encuentran espaciadas entre 1.0 y 3.0 m. El espaciamiento en
este caso está definido por las categorías mostradas en la tabla 7.1.
FLUJO A TRAVÉS DEL MACIZO ROCOSO DE LA FUNDACIÓN DE LA PRESA PORCE II
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Espaciamiento
(m)
>3
1-3
0,3 - 1
0,05 - 0,3
< 0,05
Término
Muy espaciadas
Espaciadas
Moderadamente espaciadas
Juntas
Muy juntas
Tabla
7.1.
Categorías
de
clasificación
IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
del
espaciamiento
entre
discontinuidades.
Para determinar la abertura de las discontinuidades se efectuó una medición
aleatoria de las diaclasas que mostraron flujo, mediante un calibrador de
láminas, el cual cuenta con 9 láminas que van desde 0.003” (0.008 cm) hasta
0.018” (0.05 cm). El levantamiento de campo indicó que la mayoría de las
diaclasas medidas tienen una abertura de 0.01 cm. Las fotografías del anexo
2 muestran esta herramienta.
Dada la abertura de las discontinuidades y el número de discontinuidades por
metro, la permeabilidad de las discontinuidades con flujo, utilizando el
nomograma de Louis, es del orden de 1 x 10-4 cm/s.
FLUJO A TRAVÉS DEL MACIZO ROCOSO DE LA FUNDACIÓN DE LA PRESA PORCE II
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IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
8. ANÁLISIS INTEGRADO DE LA INFORMACIÓN
En este capítulo se presenta un resumen de los principales hallazgos
obtenidos durante el desarrollo del trabajo de investigación, se analizan las
incidencias de dichos hallazgos en la seguridad de la presa, y se presentan
alternativas de solución conceptual para los hallazgos detectados.
8.1 RESUMEN DE LOS PRINCIPALES HALLAZGOS
De los análisis fisicoquímicos del agua de infiltración, del embalse y del
drenaje natural se obtuvieron dos resultados importantes: primero, que los
afloramientos de agua detectados en la margen izquierda de la presa
provienen del embalse, y segundo, que se presenta arrastre del material de
relleno de las discontinuidades. La primera conclusión se fundamenta en que
el cambio de varios parámetros fisicoquímicos indica que el agua atravesó la
cortina de inyecciones de la presa, y adicionalmente, se observa similitud
entre los parámetros fisicoquímicos del agua de los afloramientos y el agua
del embalse. La segunda conclusión se fundamentó en el análisis de sólidos
totales y suspendidos, los cuales indicaron que se presenta arrastre de
material, entre 20 y 100 ppm; un análisis “burdo” de la discontinuidad
localizada en la abscisa 175 m, la cual presenta flujo, indica que se necesitan
254 años para lavar todo el material de relleno.
Del análisis de los registros de la instrumentación, se obtuvo que la
subpresión esta controlada por la cortina de inyecciones y la cortina de
drenaje. Durante el diseño de la presa se asumió que la subpresión debía
reducirse como mínimo en un 67% respecto a la presión generada por el
embalse, lo cual se ha cumplido satisfactoriamente, dado que durante el
período de operación del embalse presenta reducciones entre un 81 y un
FLUJO A TRAVÉS DEL MACIZO ROCOSO DE LA FUNDACIÓN DE LA PRESA PORCE II
97
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IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
99%. Adicionalmente, los desplazamientos verticales indican que tanto la
presa como el macizo rocoso de la margen izquierda presentan
asentamientos leves, menores a 1.5 cm, lo cual es consecuente con el
análisis de la subpresión, indicando que efectivamente la presa no
experimenta levantamientos. Las infiltraciones están relacionadas con las
variaciones del embalse, y no se observa que tiendan a incrementarse con el
tiempo, así mismo, es importante comentar que las discontinuidades que
presentan flujo actúan como drenajes naturales controlados, lo cual es
beneficioso dado que disipan la presión en la fundación.
El análisis de la tendencia estructural de las discontinuidades, a partir de la
metodología de tranceptos, mostró una diferencia significativa respecto a la
tendencia estructural identificada durante la etapa de diseño de la presa.
Dicha
metodología
permitió
identificar
sistemas
de
discontinuidades
verticales que al interceptarse con sistemas subhorizontales forman redes de
conductividad hidráulica, que atraviesan la fundación, y conectan el embalse
con la margen izquierda de la presa. Así mismo, el análisis estadístico indicó
que el tipo predominante de discontinuidades con flujo, son las diaclasas, sin
relleno, de forma plana y predominantemente lisas, muy poco continuas, y
espaciadas.
Con la interpolación de datos obtenidos en las etapas de diseño y
construcción de la presa se identificaron dos zonas de alta permeabilidad,
localizadas entre las abscisas 120 y 140, y 170 y 220 aproximadamente, a
una profundidad variable entre 8 y 12 m. Estas zonas mostraron similitud en
cuanto a toma de lechada para la conformación de la cortina de inyecciones,
valores de RQD, abertura de discontinuidades y permeabilidad Lugeon.
Con excepción de las zonas descritas, el cálculo de la permeabilidad del
macizo rocoso a partir de varias metodologías, indicó que la roca es
FLUJO A TRAVÉS DEL MACIZO ROCOSO DE LA FUNDACIÓN DE LA PRESA PORCE II
98
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IMPLICACIONES DEL FLUJO EN
LA SEGURIDAD DE LA PRESA
predominantemente impermeable. Un ejemplo de ello es el análisis efectuado
con el tiempo de respuesta de las infiltraciones y la longitud del recorrido por
las discontinuidades, indicando que la permeabilidad es del orden de 3 x 10-4
m/s.
8.2 SOLUCIÓN CONCEPTUAL
El flujo del agua a través de las discontinuidades en la fundación de una
presa de concreto es un proceso normal; el problema fundamental para la
seguridad de la presa radica en que se aumente excesivamente la
subpresión, o que las infiltraciones tiendan a incrementarse con el tiempo,
bien sea por la apertura inelástica de las discontinuidades o por efecto del
lavado progresivo de los materiales llenantes. De acuerdo con los hallazgos
obtenidos en este trabajo de investigación, ninguna de las situaciones
descritas se ha presentado, lo que indica que la presa se ha comportado de
manera segura.
Las inyecciones de lechada en la fundación tienen una efectividad parcial en
rocas predominantemente impermeables, como las de Porce II. Las
perforaciones prácticamente nunca pueden orientarse en forma que corten
todas las discontinuidades por donde pueda transitar el agua. La experiencia
en otros proyectos muestra que la caída de la presión hidráulica ocasionada
por una cortina de inyecciones es baja comparada con la caída que
proporciona la cortina de drenajes. Resulta más efectivo y económico
incrementar el tratamiento basado en el drenaje. El tema de la efectividad
relativa de una línea de inyecciones comparada con una cortina de drenaje
ha sido tratado por varios investigadores, en particular el Profesor Arthur
Casagrande. También fue comentado por el Dr. Pierre Londe del Grupo de
Asesores de Porce II. (Villegas, 2004).
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La zona comprendida entre la abscisa correspondiente al nivel normal de
operación del embalse (922.70 msnm) y el nivel máximo de la galería
longitudinal en la margen izquierda (900.00 msnm), esto es, entre las
abscisas 65 y 100 m aproximadamente, no cuenta con cortina de drenaje,
seguramente, porque durante las etapas de diseño y construcción no se
consideró necesario. El análisis de los registros del piezómetro PNF-16
indica que dicha zona es la que muestra menor caída de presión hidráulica.
En caso de que dicha zona muestre incremento en la subpresión, esto es,
valores mayores a 1/3 de la cabeza de presión generada por el embalse, la
solución deberá orientarse a la construcción de drenajes.
Para ello será necesario efectuar perforaciones adicionales desde el tope de
la galería longitudinal en la margen izquierda, cuya cota es la 900.00 msnm.
Las perforaciones podrán tener las mismas características que las
efectuadas durante la construcción de la presa, es decir, con diámetros
variables entre 76 mm y 110 mm, inclinación respecto a la vertical de 15°
hacia aguas abajo, y sin atravesar la cortina de inyecciones. La figura 8.1
muestra la disposición de las perforaciones de drenaje adicionales
recomendadas, en caso de presentarse problemas de subpresión.
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940
Cota
(msnm)
Cresta de la presa
928.00 msnm
Perforaciones de drenaje. (Diámetro variable
entre 76 mm y 110 mm, inclinación respecto a la
vertical de 15° hacia aguas abajo, sin atravesar
la cortina de inyecciones
Galeria en el núcleo de la presa
890
K
840
cd
Galeria en el núcleo de la presa
889.30 msnm
850.30 msnm
Kme
790
50
100
150
200
250
300
Abscisa (m)
Figura 8.1. Disposición de las perforaciones de drenaje adicionales recomendadas en caso de presentarse algún
problema futuro asociado con subpresión entre las abscisas 65 y 100 m aproximadamente.
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9. CONCLUSIONES
9.1 CONCLUSIONES DE TIPO TÉCNICO
9.1.1 Conclusión general
En la parte alta y media de la margen izquierda de la presa Porce II se
presentan afloramientos de agua a través de sistemas de discontinuidades
verticales conectados con sistemas subhorizontales. Esta situación no es
peligrosa para la presa, a menos que se observe un incremento en la
subpresión, que aparezca agua con sedimentos o que se incrementen
notablemente los afloramientos de agua. En caso que se observen
incrementos en la subpresión cercanos al límite establecido en el diseño de
la presa, será necesario efectuar perforaciones de drenaje que permitan
controlar la situación. Por ahora no se considera necesaria dicha acción dado
que la presa se encuentra segura.
9.1.2 Conclusiones específicas
1. Los afloramientos de agua de la margen izquierda, aguas abajo de la
presa, proceden del embalse. Los análisis fisicoquímicos que confirman
esta situación son los siguientes: la alcalinidad que adquiere el agua de
infiltración, indicando que esta atraviesa un medio alcalino, siendo en este
caso la cortina de inyecciones; la similitud entre la conductividad del agua
del embalse y la de las infiltraciones, y la marcada diferencia con el agua
del drenaje natural; la dureza que adquiere el agua de infiltración,
producida
principalmente
por
el
calcio,
uno
de
los
principales
componentes del cemento de la cortina de inyecciones; y el calcio,
elemento que confirma que el aumento de la alcalinidad y la dureza del
agua de infiltración se debe a las reacciones presentadas cuando ésta
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entra en contacto con el cemento de la cortina de inyecciones.
2. El flujo de agua genera arrastre del material de relleno de las
discontinuidades, entre 20 y 100 ppm.
3. Los piezómetros indican que la subpresión está controlada. Uno de los
criterios asumidos durante el diseño de la presa considera que el sistema
conformado por la cortina de inyecciones y drenajes reduce la subpresión
a 2/3 respecto a la presión generada por el embalse, es decir a un 67%;
durante la etapa de
operación de la presa se presentan reducciones
entre un 81 y un 99%, por lo que se puede afirmar que el sistema de
inyecciones y drenajes ha funcionado óptimamente.
4. El análisis de los desplazamientos verticales indica que tanto la presa
como el macizo rocoso de la margen izquierda presentan asentamientos,
entre 0.3 y 1.5 cm. Lo anterior es consecuente con el análisis de la
subpresión, indicando que efectivamente la presa no experimenta
levantamientos. Respecto a los movimientos horizontales, se observa que
la presa no muestra una dirección de movimiento definida: en su margen
derecha el movimiento es hacia aguas abajo, mientras que en la margen
izquierda, es hacia aguas arriba.
5. Las infiltraciones a través de las discontinuidades del macizo rocoso
varían entre 0.7 y 2.1 l/s. La discontinuidad que presenta mayor caudal de
infiltración es la localizada en la cota 855, abscisa 175 aproximadamente
(aforo 5). Las variaciones de infiltraciones están relacionadas con las del
nivel del embalse, con un tiempo de respuesta de aproximadamente tres
días.
Adicionalmente, se observa que los valores de subpresión son
menores donde la infiltración es mayor. Lo anterior se debe posiblemente
a que las discontinuidades que presentan mayor infiltración, como la
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localizada en la cota 855 msnm, actúan como disipadoras, es decir, se
constituyen en drenajes naturales.
6. Tanto en la etapa de diseño de la presa como en este trabajo de
investigación se identificaron dos sitios de alta permeabilidad que
propician las infiltraciones. El primero se localiza entre las abscisas 65 y
90 m aproximadamente, con una permeabilidad cercana a los 9 uL; el
segundo, se localiza entre las abscisas 180 y 210 m aproximadamente,
con una permeabilidad de 17 uL. Ambos sitios coinciden con los
identificados mediante el análisis de los perfiles de contornos de RQD,
toma de lechada de inyección, y abertura de las discontinuidades (Patiño,
2005). También coincide con la discontinuidad que presenta mayor caudal
de infiltración, localizada en la cota 855, abscisa 175 aproximadamente.
7. Los ensayos Lugeon efectuados durante este trabajo de investigación,
indican que la permeabilidad de la roca, en el sitio ensayado, disminuye
en profundidad, y que el agua transita por las discontinuidades
superficiales. En los primeros 5 m, la permeabilidad es relativamente alta,
variando entre 47 y 25 uL; a partir de 5 m de profundidad, el macizo
rocoso presenta valores de permeabilidad cercanos a 5 uL que indica un
macizo rocoso de permeabilidad relativamente baja.
8. La permeabilidad del macizo rocoso, obtenida mediante las medidas del
tiempo de respuesta de las infiltraciones y la trayectoria del flujo, es del
orden de 3 x 10-4 m/s. El orden de magnitud de dicho valor coincide con
el obtenido mediante el nomograma propuesto por Louis, cuyo resultado
fue del orden de 1 x 10-4 m/s.
9. La presa podría presentar problemas de seguridad en caso que se
aumente excesivamente la subpresión, o que las infiltraciones tiendan a
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incrementarse con el tiempo. Experiencias en otros proyectos indican que
es más efectivo controlar la subpresión mediante drenaje que mediante
inyecciones, lo cual es consecuente con lo propuesto en este trabajo de
investigación, en caso de presentarse problemas de subpresión.
10. Una zona que podría mostrar problemas de subpresión es la comprendida
entre las abscisas 65 y 100 aproximadamente, dado que no cuenta con
perforaciones de drenaje. En caso de que se detecte aumento de la
subpresión deberán efectuarse perforaciones de drenaje, similares a las
efectuadas durante la construcción de la presa.
9.2 CONCLUSIONES DE TIPO ACADÉMICO
9.2.1 Conclusiones generales
1. Considerando que el problema fundamental para la seguridad de este tipo
de presas radica en que se aumente excesivamente la subpresión, las
investigaciones y análisis deberán enfocarse a determinar los factores
que propician dicho aumento, y a la manera de mitigarlo y controlarlo.
2. La evaluación de deficiencias en presas, como la desarrollada en este
trabajo de investigación, requiere de la combinación de fundamentos
teóricos, y en gran medida, de la experiencia de los ingenieros que han
participado en su diseño, construcción y operación, dado que estas
estructuras representan condiciones especiales con respecto a otras,
especialmente porque sus diseños no siguen reglas únicas, los materiales
en cada caso son diferentes, y los criterios aceptados internacionalmente
están en constante evolución.
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3. Los análisis efectuados en este proyecto de investigación motivan el
establecimiento de metodologías para afrontar un problema de flujo a
través de una fundación de una presa de concreto.
9.2.2. Conclusiones específicas
1. Cuando se disponga de elementos físicos o químicos que adicionen
características
particulares
al
agua
de
infiltración,
los
análisis
fisicoquímicos de las mismas se constituyen en una excelente
herramienta para determinar la procedencia de éstas, y evaluar otros
aspectos importantes tales como el potencial de arrastre de suelo.
2. De acuerdo con los resultados obtenidos, en el caso particular de la
margen
izquierda
de
la
fundación
de
la
presa
Porce
II,
las
discontinuidades en macizos rocosos actúan como drenajes naturales
controlados, disipando la presión de poros, y controlando el aumento de
la subpresión en la fundación.
3. La permeabilidad obtenida mediante el nomograma propuesto por Louis
(1967), es aplicable, con muy buenos resultados, al tipo de roca estudiada
en este trabajo de investigación, dado que el resultado presentó gran
similitud con el obtenido mediante el tiempo de respuesta y la trayectoria
de flujo.
4. El monitoreo de la instrumentación es fundamental para evaluar el
comportamiento de las presas, dado que a partir de ello, es posible
identificar deficiencias, comprobar hipótesis y dimensionar las obras de
rehabilitación necesarias.
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10. RECOMENDACIONES
Con el fin de garantizar un estricto control de la seguridad de la presa, se
recomienda continuar con el monitoreo de los instrumentos y del agua de
infiltración, según se describe a continuación:
Monitoreo de instrumentos:
•
Piezómetros eléctricos y de tubo abierto, los cuales permiten detectar
oportunamente incrementos en la subpresión. Se debe prestar especial
atención a la información suministrada por los piezómetros eléctricos PA1 a PA-5 localizados en la abscisa 223, y los piezómetros de tubo abierto
PNF-9 a PNF-16. localizados en las galerías de acceso.
•
Medidores de infiltración y puntos de aforo, los cuales permiten detectar
incrementos anormales en los afloramientos de agua, evaluar tendencias
a largo plazo,
y verificar si se presenta arrastre de material. Los
medidores de infiltración y puntos de aforo que merecen especial atención
son los siguientes: MI-4, MI-5, y puntos de aforo 1 al 5.
•
Puntos de control topográfico, los cuales permiten analizar movimientos
horizontales y verticales, tanto en la presa como en el macizo rocoso. Los
puntos de control topográfico se monitorean anualmente, sin embargo,
para mantener un estricto control de la margen izquierda, deberán
monitorearse semestralmente los siguientes puntos de control: S-1 a S-4,
y S-16 a S18.
Monitoreo del agua de infiltración:
Para verificar si aumenta el arrastre del material de relleno de las
discontinuidades, deberá continuarse con la toma de muestras y el análisis
físico químico del agua de infiltración, especialmente los parámetros de
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sólidos totales y suspendidos.
La evaluación y análisis de los registros de la instrumentación y de las
muestras de agua, deberá efectuarse semestralmente, durante los primeros
10 años de operación, de manera que pueda detectarse oportunamente
alguna de las posibles deficiencias descritas.
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Anexo 1.
Resultado de los análisis fisicoquímicos del agua.
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Anexo 2.
Registro fotográfico.
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Anexo 3.
Registro de campo de los ensayos Lugeon efectuados durante el trabajo de
investigación.
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