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1 Título: Un análisis acerca del establecimiento de la periodicidad de las observaciones geodésicas de las deformaciones de las cortinas de las presas. Autores: Dr. Ricardo Olivera Rodríguez (1) Dr. Ernesto Rodríguez Roche (2) Ing. Nadiezhda Romanovna Selezniova (3) (1) GEOCUBA I.C. Filial Topografía Aplicada (Villa Clara). (2) GEOCUBA I.C. Filial Geodesia (Ciudad Habana). (3) GEOCUBA VC-SS. Agencia de Topografía Aplicada. RESUMEN Se analiza las dificultades reales que existen en la práctica ingeniero-geodésica para establecer con certeza el momento óptimo de observación de las deformaciones de las obras de ingeniería, y en particular, de las cortinas de las presas. Se ofrecen algunos criterios establecidos como pautas o recomendaciones para tales fines. El establecimiento de un correcto programa de observaciones de las deformaciones de este tipo de obra contribuye a preservar recursos y vidas humanas, así como a evitar indeseados fallos catastróficos. I Introducción En la práctica constituye una preocupación constante para ingenieros proyectistas, constructores y explotadores conocer en cualquier momento el estado de deformación entiéndase estabilidad de las cortinas de las presas, ya que el fallo catastrófico de estas, constituye una seria amenaza a la seguridad pública y una afectación a la economía de cualquier región, e incluso, de un país. Por tal motivo resulta de vital importancia el establecimiento de un programa correcto de control, determinación y valoración de estas deformaciones en el tiempo. La ingeniería ha desarrollado dos métodos posibles para conocer estas deformaciones; a saber, el basado en la mecánica de suelos o geotecnia y el geométrico o ingeniero-geodésico. El primero se basa en el estudio de las propiedades físico-mecánicas de los elementos que constituyen el cimiento o base de la estructura y el cuerpo en este caso el pedraplén de la cortina de la presa y en base a ello, realiza pronósticos del futuro comportamiento de materiales similares. De aquí que este método, en comparación con el geométrico o geodésico, sólo sea una aproximación del fenómeno. Todo lo contrario sucede con el método que nos ocupa, el ingeniero-geodésico, que describe paulatinamente ya que lo mide en diferentes instantes históricos sobre el propio cuerpo que se deforma el fenómeno, y, por ende, es más preciso. Sólo que esta precisión depende entre otros factores, de la confiabilidad de las mediciones y sus errores posibles. 1

2 Los métodos empleados hasta hoy en la práctica garantizan obtener valores de asentamientos en un rango de ± 1,0 mm a ± 5,0 mm en dependencia del método e instrumento de medición que se emplee. Por su parte los desplazamientos horizontales pueden ser determinados con un error medio cuadrático en un rango de ± 3 mm 5 mm, según la longitud de la cortina de la presa y el método e instrumentos de medición a emplear. Así, las deformaciones de las cortinas de las presas se han determinado en ciclos con diferentes periodicidades, en un rango histórico apreciable de tiempo, analizándose en cada ciclo el comportamiento deformacional. Categóricamente podemos plantear que en la actualidad, en el quehacer ingenierogeodésico, no existe un procedimiento riguroso para establecer cuándo medir las deformaciones. Al respecto analizamos en el presente artículo. II Algunos de los principales enfoques y recomendaciones del tema Diferentes autores confirman la ausencia de un método riguroso para el establecimiento de la periodicidad de medición. La mayoría de los documentos y trabajos científico-técnicos recomiendan realizar las mediciones de las deformaciones en la etapa de construcción cuando la obra alcanza el 25, 50, 75 y 100% de la carga y dimensión del proyecto. Para la etapa de explotación se ofrecen diferentes propuestas relacionadas con el tipo de suelos de la base; por ejemplo, para suelos cohesivos (arcilla, limo) se recomienda medir cada tres o cuatro meses, y en los no cohesivos (como las arenas) cada cinco o seis meses. Para suelos con tendencia a asentarse suele disminuirse hasta tres meses. Si en el asentamiento de la obra ejercen influencia factores externos, tales como: la variación del régimen del nivel de las aguas del manto freático, la temperatura del suelo de la base, la acción de fuerzas dinámicas, etc., las mediciones reiteradas son necesarias realizarlas antes de comenzar la acción de dichos factores, en el período de su acción y al finalizar. Esto último tiene sentido teórico pero no práctico, pues resulta un tanto indeterminado valorar con precisión cuál es el momento de inicio y fin de estos factores influyentes. Algunos autores recomiendan para la etapa de explotación observar las deformaciones dos o tres veces al año hasta su estabilización; o sea, hasta que la velocidad de estas sea de uno o dos milímetros al año. Para obras muy propensas a deformaciones las observaciones continúan en un período de dos a tres años. Un clásico en Cuba como [Minko Mishev, 1985] estableció teniendo en cuenta las condiciones específicas en que se proyectan y construyen las cortinas de las presas de tierra: estructura geológica de la base, características del material del terraplenado y la tecnología para su ejecución, régimen de vaciado y llenado del embalse, etc. la periodicidad de las observaciones en cuatro períodos convencionales; a saber: a. Primer período: Abarca los primeros cinco años inmediatamente después de la entrada en funcionamiento de la nueva presa construida. En el primer año deben hacerse seis mediciones; es decir, 2

3 cada dos meses. En el segundo y tercer año se harán cuatro mediciones; o sea, una cada semestre. Para estos tres años ya se ha reunido un mínimo de datos sobre la base, por lo que ya puede hacerse un trabajo más completo y una apreciación del desarrollo de los procesos de deformación. El cuarto y quinto años debe continuarse con cuatro mediciones al año. Sin embargo, en dependencia de los resultados obtenidos de la elaboración y análisis de los datos para los tres primeros años las mediciones pueden ser disminuidas a tres, también para los dos años o bien solo para el último. b. Segundo período: Este abarca los siguientes cinco años de explotación de la presa. Durante este período deben realizarse tres mediciones anuales. Cuando se tiene un comportamiento normal de los fenómenos de deformación, en casos de una tendencia de amortización ininterrumpida de estos fenómenos y cuando se realiza una segunda elaboración y análisis fundamental de los datos obtenidos para los trescuatro años siguientes (después de la primera elaboración), o sea, en los últimos 2-3 años del segundo período las mediciones pueden disminuirse en dos al año. c. Tercer período: Este período es el más prolongado de la vida de la presa. En la práctica se ha constatado que durante los dos períodos tratados anteriormente las deformaciones previstas en el proyecto se disipan y el terraplén puede considerarse totalmente consolidado. Durante este período deben realizarse dos mediciones anuales. d. Cuarto período: Este es el período llamado envejecimiento de los materiales durante el que deben encaminarse las exigencias nuevamente hacia el control técnico de las presas. En dependencia del estado técnico de cada presa por separado, de los trabajos de reparación y mantenimiento realizados, de los complejos resultados de la elaboración y análisis de los datos obtenidos de todo tipo de observaciones, etc. se determina el número de mediciones. El propio período continúa hasta el cese definitivo, por diferentes motivos, de la explotación de la presa dada. No obstante, recomienda en el establecimiento de la frecuencia de las mediciones de las deformaciones de cortinas de presas lo siguiente: Para cada período, independientemente del número de mediciones, dos de ellas se realizarán obligatoriamente cuando se tenga un régimen de carga extremo en la cortina. Al tener el nivel de agua más alto y el más bajo respectivamente en el embalse por cada año. 3

4 Cuando la medición es una al año, ésta por consiguiente, debe realizarse de la siguiente manera: un año cuando el nivel sea el más alto y el año siguiente cuando el mismo sea el más bajo en el embalse. La continuidad del tercer período no está definida, porque esto es casi imposible. En cada proyecto se determina de forma aproximada la vida de la presa correspondiente, lo cual puede servir de base para la apreciación aproximada del plazo de este período. Esta puede ser para algunas presas de 20 a 40 años e incluso de 50 a 80 años, con la condición de un mantenimiento correcto y de un comportamiento normal de los fenómenos observados. El primer y segundo período son los más comprobados debido a que pueden considerarse como lo determinados con más exactitud. Ante la aparición de los fenómenos naturales fuera de lo normal, como son: terremotos, procesos de deslizamientos, focos de filtración, avenidas por encima de la probabilidad calculada, etc., se introducen mediciones más frecuentes de todos los fenómenos, incluyendo las deformaciones, independientemente del período en el que se produce la explotación de la presa y de las mediciones previstas para la misma. En el Manual de Ingeniería EM del 1 de junio del 2002 Medición de deformaciones estructurales (STRUCTURAL DEFORMATION SURVEYING) del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos (US Army Corps of Engineers), en su acápite 2.15 establece que la frecuencia de las mediciones puede ser mediante: a. el monitoreo continuo: con el empleo de medios automáticos de adquisición de datos, tales como el DGPS o estaciones robóticas totales. En este caso, la frecuencia de medición no es una preocupación ya que se establece codificando un tiempo pre-programado, pero aclara que el empleo de este tipo de técnica no es aun común debido mayormente a sus costos. b. El monitoreo discreto: En el criterio basado en el tiempo, emplea como guía para el monitoreo lo reglamentado por el Comité Internacional de Grandes Presas (International Committee on Large Dams) que establece una tabla basada en el tiempo y en la edad de la estructura: (1). Pre-construcción: Se deben realizar mediciones geodésicas y piezométricas antes y durante la construcción; (2). Primer llenado: Se deben realizar mediciones antes del primer llenado. Las mediciones sucesivas dependerán del nivel que alcancen las aguas en el embalse. Cuando el agua alcance el mayor nivel y el más bajo se deben realizar también mediciones. Por ejemplo, se deben realizar mediciones cuando el agua alcance ¼ de la altura total, otra cuando el agua alcance la mitad de la altura y, luego, cada un décimo de la altura total hasta el primer cuarto de llenado; una medición cada 6 pies de variación del último cuarto. El intervalo entre dos mediciones sucesivas nunca excederá de un mes hasta el llenado completo; 4

5 (3). Fase de estabilización: las mediciones deben ser más frecuentes en los años inmediatos luego del primer llenado, cuando las deformaciones activas están en progreso. Las mediciones geodésicas pueden ser efectuadas en cuatro ocasiones en un año, así como acompañarlas de mediciones geotécnicas con una frecuencia de una cada uno o dos semanas; (4). Operación normal: Luego que la estructura se estabiliza, lo que puede llevar de 5 a 10 años o más, la frecuencia antes mencionada puede ser disminuida a la mitad. Puede ser reducida de acuerdo a cómo se ha comportado en los primeros cinco años de operación; (5). Fase de reparación: Cuando una estructura comienza a mostrar signos significativos de estrés o deterioro avanzado, la frecuencia de las mediciones basadas en la fase de estabilización puede ser disminuida dadas las condiciones de fallo potencial. Se deben intensificar las investigaciones en áreas donde ocurren los problemas más críticos para determinar las causas de las deformaciones y establecer un plan de reparaciones. c. Criterio basado en la amenaza. La frecuencia se establece en base a la clasificación de amenaza de la obra. En la Tabla N 1 se dan las recomiendaciones. Tabla N 1. Clasificación de la estructura Estructura en estrés Estructura sin estrés Clase I: Riesgo Alto Clase II: Riesgo Medio Clase III: Riesgo Bajo Monitoreo continuo Monitoreo anualmente o Monitoreo cada año impoundment cada dos años Tipo A Inminente fallo potencial Tipo A Grandes Tipo A Tipo B Se espera un fallo potencial Tipo C Las presas o el Tipo B Pequeñas Tipo B embalse comienza su inicial represamiento Grandes Pequeñas (1) Clase I: Estructura de alto riesgo: debe llevar un monitoreo continuo de la estructura. (a) Tipo A: Inminente fallo potencial: Los datos son de gran valía para un análisis posterior y establecer por qué falló la estructura. Se empleará cualquier método para adquirir los datos sin riesgo para la vida o interferencia del proceso de salvación de la estructura o alerta del riesgo a la población. (b) Tipo B: Se espera un fallo potencial: Monitoreo continuo de la estructura. Hasta que se aplique una solución potencial para salvar la estructura se debe emplear el monitoreo continuo hasta su estabilización. 5

6 (c) Tipo C: Las presas o el embalse comienza a represar agua por primera vez. Se deben registrar los datos iniciales antes de que comience el proceso de represamiento. Se prosigue el monitoreo continuo hasta que se determine que la estructura se estabilizó y se mantiene como se planificó. (2) Clase II: Estructura de riesgo medio: Estas son de cierta categoría de riesgo por lo que es prudente que el monitoreo se realice anualmente. Son estables, pero su fallo puede afectar un área poblada, causando devastación e interrupción de los servicios de la estructura. (3) Clase III. Estructuras de bajo riesgo: El monitoreo debe efectuarse cada dos años. Son estables, pero su fallo puede afectar igualmente un área poblada, causando devastación e interrupción de los servicios de la estructura. Otro criterio que se ha seguido en la práctica es el de valorar el carácter de la deformación a partir de determinar su magnitud y velocidad; o sea, por el cambio del proceso en un intervalo de tiempo dado. Por eso es imprescindible establecer la periodicidad de forma tal que los resultados cumplan el principio de credibilidad práctica (confiabilidad) del valor de deformación por si misma, así como por su intensidad. Esto acarrea la necesidad de asegurar el análisis sobre la no variación del proceso de deformación en el tiempo, por una parte, y por otra, sobre la posibilidad de no perder el momento oportuno de su variación; o sea, dicho de otro modo: se hace imprescindible ser oportunos para medir en el justo momento de variación y manifestación característica del fenómeno. Resulta deseable, por otro lado, el aumento del intervalo de tiempo entre ciclos sin la pérdida de información sobre la deformación. Si tenemos en cuenta que la fundamentación de la exactitud de las observaciones geodésicas parte del principio de que en el intervalo de tiempo t n t pron ; o sea, el tiempo en el momento n cualquiera y el tiempo pronóstico, el valor de las sumas: St pron + δ St + δs pron verd No debe superar el permisible de la magnitud de asentamiento S. donde: St pron valor del asentamiento pronóstico; δst pron valor permisible de pronóstico de asentamiento; δs verd valor permisible de determinación del asentamiento verdadero. Teniendo en cuenta lo anterior, se parte de la consideración de que la periodicidad de las observaciones geodésicas; o sea, la ejecución, en este caso del próximo n+1 ciclo se halle en el intervalo t n+ 1 [ tn, t pron ], lo que, considerando las exigencias económicas, nos conduce a que por el tiempo t n+1 se tome el valor más alejado posible del tiempo t n ; o sea: 6

7 t n+1 = t pron Esta igualdad permite establecer la periodicidad de las observaciones de forma sencilla; sólo resta adoptar el modelo de pronóstico apropiado. III Conclusiones La periodicidad de las observaciones de las deformaciones de las cortinas de las presas debe basarse en el análisis del comportamiento de la obra, en las velocidades y aceleraciones de los asentamientos y desplazamientos horizontales, y a partir de aquí, adoptar los criterios de Minko Mishev ó evaluar mediante modelo de pronóstico adecuado cuál es el momento óptimo de observación. IV Bibliografía 1. Manual de Ingeniería EM del 1 de junio del 2002 Medición de deformaciones estructurales (STRUCTURAL DEFORMATION SURVEYING) del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos (US Army Corps of Engineers) 2. Mishev, Minko. Manual de explotación de presas. La Habana. Instituto de Hidroeconomía Olivera, R. Ricardo. Metodología para el estudio de las deformaciones de las obras de ingeniería. GEOCUBA. La Habana. Cuba

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