DISEÑO GEOTÉCNICO DE PRESAS DE GRAN ALTURA DE ENROCAMIENTO CON CARA DE CONCRETO ASPECTOS FUNDAMENTALES ESPECIALIDAD: INGENIERÍA CIVIL

Transcripción

1 DISEÑO GEOTÉCNICO DE PRESAS DE GRAN ALTURA DE ENROCAMIENTO CON CARA DE CONCRETO ASPECTOS FUNDAMENTALES ESPECIALIDAD: INGENIERÍA CIVIL Juan de Dios Alemán Velásquez Maestro en Ingeniería Mecánica de Suelos 24 de enero de 2013

2 Contenido 1. Introducción 2. Zonificación de una presa de ECC según ICOLD 3. Diseño Geotécnico de una presa de ECC de Gran Altura según la práctica en CFE. Aspectos fundamentales 3.1 Zonificación 3.2 Caracteristicas de los materiales 2ª, 2B y 3A utilizadas en México 3.3 Pruebas de campo y laboratorio para determinar las caraterísticas de los materiales 3B, T y 3C. 3.4 Análisis númericos esfuerzo deformación para predecir el comportamiento de la presa Selección de parámetros Análisis númericos esfuerzo-deformación 3.5 Comportamiento de la presa durante construcción y primer llenado Propiedades índice de los materiales utilizados en la Presa Asentamientos y filtraciones medidos 4. Conclusiones 5. Agradecimientos

3 Introducción Tendencias en altura de presas de ECC por año de construcción (cooke, 1991, 1997, extendida a 2011)

4 Introducción. Primeras presas de ECC Enrocamiento a volteo no compatible con cara de concreto Construidas por mineros En California Enrocamiento sano collocado a volteo Presas de más de 75 m presentan fuertes filtraciones Etapa inicial de las presas de ECC Alzadas de hasta 25 m Presas de hasta 75 m se comprtan satisfactoria mente Pronto se cambia a cara de concreto Tablones de Madera como elemento impermeable

5 Introducción. Primeras presas de ECC Morena Dam 1885

6 Introducción. Primeras presas de ECC Paneles de concreto típicos New Exchequer, 150 m, 1966

7 Introducción. Periodo de Transición

8 Introducción. Periodo Moderno

9 Conceptos de Diseño y Construcción según ICOLD 1984, 1989, 1994, 2010

10 Conceptos de Diseño y Construcción según ICOLD 1984, 1989, 1994, 2010 Capa

11 Conceptos de Diseño y Construcción según ICOLD 1984, 1989, 1994, 2010

12 Conceptos de Diseño y Construcción según ICOLD 1984, 1989, 1994, 2010 Granulometría para material 2B recomendadas por ICOLD, 2010

13 Tianshengqiao, 180 m ( Zeyang, 2011)

14 Barra Grande, 2004, 185 m ( Zeyang, 2011)

15 Campos Novos, 2005, H=202 m ( Zeyang, 2011)

16 Introducción

17

18 Introducción PH El Cajón, 2006, H= 186 m Contornos de igual asentamientos, al final de construcción, PH El Cajón (Cortesía Subgerencia de Seguridad de Estructuras, GEIC, CFE

19 Diseño geotécnico de presas de ECC de gran altura. Aspectos fundamentales La experiencia Mexicana

20 En los 60 s se inicia el estudio del comportamiento de los enrocamientos y el diseño y construcción de presas de tierra y enrocamiento de gran altura en México

21 Zonificación Zonificación de la presa Aguamilpa, 1993 (Montañez, 2000)

22 Zonificación 2B 2A Sección máxima de la Presa El Cajón (Romo et al, 2000)

23 3A

24 Características de los Materiales 2A, 2B y 3A utilizadas en México

25 Caracteristicas del material 2A Caracteristicas del Material 2A recomendado por ICOLD y utilizados en México

26 100 Evolución de la Granulometría del material 2B New Exchequer (1966) Cabin Creek (1967) Pindari (1969) Cethana (1971) Alto Anchicayá (1974) Foz Do Areia (1981) Sherard(1985) Boletin 70 Icold Boletin 141 ICOLD (2010) CFE (2006) Granulometrías promedio del material 2B utilizadas en diferentes proyectos desde 1966 a la fecha

27 Granulometrías del material 2B recomendadas por ICOLD y las utilizadas en México

28 Colocación y compactación del material 2B en el Ph La Yesca Diseño Geotécnico de Presas de Enrocamiento con Cara de Concreto

29 Colocación y compactación del material 2B en el Ph La Yesca Diseño Geotécnico de Presas de Enrocamiento con Cara de Concreto

30 Material 3A

31 Curvas granulométricas del material 3A utilizado en El Cajón y La Yesca

32 Estudios de campo y laboratorio para definir las caracteristicas de los materiales 3B, T y 3C

33 PROCESO DE ANALISIS Y DISEÑO DE UNA PECC EN MEXICO Estudios de Bancos de Materiales Voladuras y Pedraplenes de prueba Pruebas de laboratorio gigantes Análisis númericos Caracterizar los materiales disponibles en la zona Definir granulometrías, espsores de capa, relaciones de vacíos obtenibles, propiedades de deformabilidad y permeabilidad Determinar propiedades de deformabilidad y resistencia. Descartar cedencia ante cargas altas. Obtener parámetros para análisis Simular comportamiento de la presa. Pronosticar desplazamientos y esfuerzos en cuerpo de cortina y cara de concreto

34 Resultados pruebas de laboratorio en materiales para PH La Yesca

35 Sección y planta del pedraplén de aluvión utilizado en los estudios de La Yesca

36 Vistas de los bancos de aluvión utilizados en el Pedraplén de prueba

37 Vista del pedraplén de aluvión PH La Yesca

38 Definición de granulometrías a utilizar en los pedraplenes de prueba Granulometría natural de los bancos de aluvión en el PH La Yesca; Acomodo del aluvión natural al ser compactado

39 Curvas granulométricas promedio de los materiales utilizados en los pedraplenes de prueba Espesor de capa, en m Relación de vacíos de la grava-arena Número de pasadas Espesor de capa, en m Relación de vacíos del enrocamiento* Dacita Dacita fluidal Porfírica Resultados de relaciones de vacíos obtenidos en los pedraplenes

40 Módulo de deformación, E, en MPa Diseño Geotécnico de Presas de Enrocamiento con Cara de Concreto Espesor de capa, m Módulo de deformación promedio E, en MPa Dacita Dacita Gravel fluidad porfirica Módulos de elasticidad obtenidos en los pedraplenes de prueba Aluvión Dacita porfirica Dacita fluidal Esfuerzo vertical promedio, en MPa resultados de pruebas de consolidación unidimensional en odometro gigante y mediano

41 Elastic modulus, E, (MPa) Módulo elástico, E, en MPa Diseño Geotécnico de Presas de Enrocamiento con Cara de Concreto Resultados de las pruebas triaxiales tipo CD realizadas en diversos materiales ALUVIÓN DACITA FLUIDAL DACITA PORFÍDICA Potencial (ALUVIÓN) Potencial (DACITA FLUIDAL) Potencial (DACITA PORFÍDICA) y = x y = x y = x Datos de módulos de elasticidad de todas las pruebas realizadas en los estudios de La Yesca, ajustada de acuerdo a la ecuación Esfuerzo de confinamiento Mean stress medio, P, en (MPa) MPa

42 Parámetros utilizados en los análisis del comportamiento De la presa La Yesca

43 Malla de elementos para análisis con el método de diferencias finitas

44

45 Esfuerzos de tensión horizontales Esfuerzos de compresión horizontales Zonas de tensión y Compresión en la cara de concreto.

46 Resumen de resultados más relevantes de los análisis

47

48 T 3C 3B Bandas granulométricas especificadas para los materiales de la Presa La Yesca

49 Comportamiento del PH LA Yesca durante construcción y Primer llenado

50

51 Porcentaje que pasa; en peso Porcentaje que pasa; en peso 43" 30" 20" 11" 7" 5" 3" 2" 3/4" 1/2" # 4 # 10 # 20 # 40 # 60 # 100 # " 30" 20" 11" 7" 5" 3" 2" 3/4" 1/2" # 4 # 10 # 20 # 40 # 60 # 100 # 200 Diseño Geotécnico de Presas de Enrocamiento con Cara de Concreto FRAGMENTOS DE ROCA GRUESA GRAVA FINA MALLAS ASTM GRUESA ARENA MEDIA FINA PARTÍCULAS FINAS HIDRÓMETRO FRAGMENTOS DE ROCA GRUESA GRAVA FINA MALLAS ASTM GRUESA ARENA MEDIA FINA PARTÍCULAS FINAS HIDRÓMETRO Limite Inferior Material " T " Limite Inferior Material " 3C " Limite Inferior Material " 3B " Limite Superior para los tres Materiales Limite Inferior Material " T " Limite Inferior Material " 3C " Limite Inferior Material " 3B " Limite Superior para los tres Materiales 70 PROMEDIO 70 PROMEDIO Tamaño del grano en, mm Tamaño del grano en, mm Curvas granulométricas de los materiales 3B y T utilizados en La Yesca

52 Contornos de igual asentamiento al final de construcción para la Presa La Yesca (cortesía Subgerencia de Seguridad de Estructuras, GEIC-CFE).

53 Gastos de filtración medidos en las presas de Aguamilpa, El Cajón y LA yesca durante el primer año de operación (cortesía Subgerencia de Seguridad de Estructuras, GEIC CFE).

54 Conclusiones Las presas de ECC de gran altura (más de 150 m) no pueden diseñarse atendiendo exclusivamente a la experiencia (método empírico), sino que para garantizar su buen comportamiento deben realizarse estudios exhaustivos de campo y laboratorio para definir las caracteristicas de los materiales que la compondrán y para seleccionar adecuadamente sus parámetros de resistencia y deformabilidad, asi como ejecutar análisis númericos esfuerzo-deformación que permitan predecir con una precisión adecuada el comportamiento futuro de la presa. La experiencia seguirá siendo fundamental al momento de decidir los tipos de materiales que se utilizarán en la presa, asi como sus granulometrías. El material 2B, que soporta la losa debe contener un contenido de de finos no plasticos entre 6 y 12 %, para garantizar una permeabilidad menor que 1 x 10-3 cm/s, y poseer la granulometría recomendada por CFE que aparece en la tabla 4.

55 Conclusiones El material 3A debe diseñarse como filtro del material 2B, para lo cual se podrá tomar en cuenta la granulometría integral de este último material. Las granulometrías que aparecen en la fig. 11, con tamaño máximo de hasta 20 cm, porcentaje de arena mayor que 30% y porcentaje de finos menor que 3 a 5 % garantizan una cumplir adecuadamente con la función de retener y drenar adecudamente al material 2B. La selección del modelo constitutivo y de los parametros de deformabilidad de los materiales de la presa son, evidentemente, los puntos más importante del análisis del comportamiento esfuerzo deformación de la presa. Para definir con suficiente precisión estos parámetros, es necesario realizar pedraplenes de prueba y ensayos de odometro gigante, asi como tomar en cuenta el comportamiento de las presas ya construidas.

56 Conclusiones El uso de aluviones o enrocamientos sanos, de granos duros o semiduros, bien graduados, con porcentajes de arena preferiblemente mayor que 15% y porcentaje de gravas por arriba de 40%, permiten obtener bajas relaciones de vacíos y, por lo tanto, altos módulos de deformabilidad. Deben evitarse enrocamientos uniformes, con bajos porcentajes de arena y de gravas, ya que serán altamente deformables. Es importante que las pruebas de odometro gigante de los enrocamientos y los aluviones se lleven a presiones similares o mayores que las reales, para garantizar que a ese nivel de presiones no se incrementará la rotura de granos y no se presentará un incremento súbito en la deformabilidad de estos materiales. La cuidadosa instrumentación de cada una de las obras y el monitoreo de su comportamiento, son aspectos muy importantes que permiten validar categóricamente los criterios de diseño empleados

57 Gracias