PUNTALES DE SOPORTE EN LA GALERÍA DE OSCILACIÓN DEL PROYECTO HIDROELÉCTRICO LA YESCA, MÉXICO RESUMEN

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1 PUNTALES DE SOPORTE EN LA GALERÍA DE OSCILACIÓN DEL PROYECTO HIDROELÉCTRICO LA YESCA, MÉXICO Raymundo Ussiel Padua Fernández 1, Rigoberto Rivera Constantino y Humberto Marengo Mogollón 3 RESUMEN Se muestra la solución realizada a base de 6 puntales de concreto prefabricados para la estabilización de las paredes en la Galería de Oscilación excavada en caverna de 6,50m de altura por 16,00m de ancho y 6,50m de largo del Gran Proyecto Hidroeléctrico La Yesca, Jal, México, que se encuentra fuertemente afectada por condiciones geológicas adversas que dieron lugar a la formación de cuñas de roca con dimensiones considerables. Se describe la metodología de modelación tridimensional, así como el ingenioso método de colocación y sistema de conexión que permitió el colado ininterrumpido mediante cimbra deslizante. ABSTRACT It shows the solution based on 6 precast concrete struts to stabilize the walls in the Oscillation Gallery excavated cave 6.50 m height, m wide and 6.50m along the Grand Hydroelectric Project the Yesca, Jalisco, Mexico, which is strongly affected by adverse geological conditions that led to the formation of considerable size wedges. Shows the three dimensional modeling methodology, as well as the inventive method of placing and connection system allowing uninterrupted through the cast concrete with slipform. INTRODUCCIÓN El Gran Proyecto Hidroeléctrico La Yesca, es la segunda presa de enrocamiento con cara de concreto más alta del mundo con una altura de 08.5m, localizada en las coordenadas geográficas de latitud Norte y de longitud Oeste, construida sobre el río Santiago entre los límites de los estados de Nayarit y Jalisco, México, cuyo objetivo es el de generar energía eléctrica, aportando una generación media anual de 110 GWh. Las obras subterráneas de generación localizadas en la margen derecha del proyecto son: Túneles de Conducción, Casa de Máquinas, Túneles de Aspiración, Galería de Oscilación y Túnel de Desfogue. La Galería de Oscilación se localiza entre el Túnel de Aspiración y el inicio del Túnel de Desfogue, es una estructura con muros y losa de piso de concreto reforzado y tiene como principal función amortiguar los efectos de un fenómeno transitorio que se produce durante un cierre rápido de las compuertas de la obra de toma o a la salida de operación de alguna unidad generadora. 1 3 Jefe de Inspección, Comisión Federal de Electricidad, Mississippi #71, Col. Cuauhtémoc, C.P: México, D.F. Teléfono: (55) ext ; raymundo.padua@cfe.gob.mx Profesor, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México, Ciudad Universitaria, C.P: México, D.F. Teléfono (55) ; riverac@unam.mx Coordinador de Proyectos Hidroelétricos, Comisión Federal de Electricidad, Mississippi #71, Col. Cuauhtémoc, C.P: México, D.F. Teléfono: (55) ext ; humberto.marengo@cfe.gob.mx 1

2 XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Acapulco, Guerrero 01. Figura 1 Niveles hidráulicos en la Galería de Oscilación En la Figura 1 se indican las elevaciones del perfil hidráulico correspondientes a los diferentes escenarios de operación en la Galería de Oscilación, en la Figura 1 se presenta únicamente la sección longitudinal. Estos escenarios de operación son detallados en la Tabla 1. Escenario de Operación Tabla 1 Niveles de operación en la Galería de Oscilación Gasto Q m 3 /s Elevaciones en la Galería de Oscilación (msnm) Elevaciones en la salida del Túnel de Desfogue (msnm) A. Baja (1 Unidad) ,59 389,4 B. Normal ( Unidades) ,7 C. Inusual ( Unidades con Qmáx) D. Accidental ( Unidades + QVert) ,37 390,86 410,46 E. Accidental ( Unidades + Qmáx Vert) ,98 41,07 Nota: msnm= metros sobre el nivel del mar. CONDICIÓN GEOLÓGICA La caverna de Oscilación quedo alojada en rocas ígneas del tipo Ignimbrita de composición Dacítica Porfídica de la unidad litológica denominada Tmid, a lo largo de su eje la caverna está fuertemente afectada por fallas escalonadas y alabeadas entre las que destacan: Falla Pilar, Falla Escondida, Falla GO-1 y Falla S4. En la Tabla se indican las propiedades mecánicas de la roca Tmid y en la Tabla 3 se indica las características geológicas del sistema de fallas respectivamente. Tabla Propiedades mecánicas de la unidad litológica Tmid Unidad litológica Resistencia a la compresión MPa Relación de Poisson Peso volumétrico kn/m 3 Módulo de elasticidad MPa RMR Q Calidad de la roca Tmid Regular a Buena Nota: RMR=Índice de Calidad de la Roca (Bieniawski 1973) Q=Índice Q (Barton 1974)

3 Figura Perfil geológico entre Casa de Máquinas y Galería de Oscilación En base a las propiedades mecánicas y características geológicas (véase tablas y 3) se calcularon las dimensiones y la carga de roca debida a la componente del peso propio de la cuña máxima formada por el sistema de fallas (ver la Figura ), la disciplina de geotecnia determina una carga de MN, con echado desfavorable hacia la excavación, los análisis de estado límite y los primeros tratamientos de estabilización mediante anclaje de fricción logran que la cuña alcance el equilibrio estático, es decir sin movimiento, sin embargo, bajo las condiciones de operación: en el instante en el que se alcancen los niveles máximos de agua en la galería y aunado a los efectos de vibración de casa de máquinas, se espera la activación de la carga de roca, concluyendo que existirá un remanente de carga del orden de MN. Después de un análisis detallado, se determinó que la solución óptima era contener la cuña inestable a base de troqueles o puntales horizontales, transfiriendo el empuje de la cuña hacia la pared aguas abajo de la Galería de Oscilación, donde la roca no está afectada por la formación de cuñas y tiene propiedades mecánicas suficientes para resistir dicha fuerza. Tabla 3 Propiedades mecánicas y geológicas del sistema de fallas Sistema de Fallas Ángulo de fricción Cohesión c en MPa Rumbo Echado 1. Pilar N E NW. Seudoestratificación N 18-8 W SW 3. Sistema de fallas y N E SE fracturas 4. Falla GO N W SW 5. Falla S N W 41-5 SW 3

4 XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Acapulco, Guerrero 01. CRITERIOS DE ANÁLISIS Y MODELACIÓN TRIDIMENSIONAL Figura 3 Modelo I: Pilares, Puntales y Muro aguas abajo En base a las propiedades geotécnicas y las características geométricas de la Galería de Oscilación (ancho, largo y alto), se generaron dos modelos tridimensionales. A continuación se mencionan algunos de los criterios que se consideraron para su elaboración. Como primer criterio de modelación se determinó diseñar los puntales a base de concreto, para avanzar en los diseños y en la construcción de éstos se generó un primer modelo tridimensional que considera los requerimientos estructurales para la sección gruesa del Puntal de concreto. La geometría del primer modelo se construyó por medio de una malla de elemento finito, ésta se realizó a escala real mediante el software SAP000 V14 utilizando elementos tipo Frame para modelar los Puntales, elementos tipo Shell para modelar los Pilares de deslizado de compuertas de cierre en la pared aguas arriba, y elementos tipo Shell para modelar el Muro en la pared aguas abajo de la Galería de Oscilación donde se incluye una junta fría rellena con material de PVC para simular la zapata adosada al muro. Las propiedades geométricas y de los materiales se indican en las Tablas 4 y 5, respectivamente. Tabla 4 Características geométricas de los elementos (modelo I) Elemento Elemento tipo Ancho m Alto m Longitud m Puntales Frame Pilares Shell Muro Shell Zapata Shell Las condiciones de frontera (apoyos) fueron las siguientes: el apoyo en la base de los Pilares se consideró articulado, es decir, restringiendo desplazamientos en sus tres direcciones ±X, ±Y y ±Z, mientras que para los apoyos en el muro en la pared aguas abajo se asumió un apoyo elástico del tipo resorte ( Spring ) en dirección normal al plano -X que considera la propiedades de deformación del macizo rocoso, cuya constante de resorte se calculó empleando la siguiente ecuación: 4

5 E K (1) B (1 ) Donde E Módulo de elasticidad de la roca B Longitud menor de la zona del muro considerada como zapata Relación de Poisson de la roca En la base y en los costados del muro se asumieron apoyos del tipo articulado restringiendo desplazamientos en sus tres direcciones ±X, ±Y y ±Z. Tabla 5 Propiedades de los materiales que conforman la estructura y modelos I y II aterial Resistencia (f c, fy) MPa Relación de Poisson Peso volumétrico kn/m 3 Módulo de elasticidad MPa Concreto Acero de Refuerzo ASTM A615M Acero Estructural ASTM A36M Para el diseño de la sección transversal de concreto del puntal, se consideraron las siguientes solicitaciones: la carga muerta correspondiente al peso propio del elemento; la carga por puntal adicional debido al criterio de montaje el cual se fundamenta en que el puntal colocado en la parte superior tendrá la capacidad de izar el puntal inmediato inferior, la carga viva por maniobras de montaje y la carga debido a la presión de roca determinada de acuerdo a las áreas tributarias correspondiente a cada puntal siendo esta del orden de kn y hasta kn. Para el diseño de los elementos de concreto se utilizó ACI318S-08, y Comentarios, asumiendo la siguiente expresión como requisito básico para el diseño: R n U () Donde Rn Resistencia nominal Factor de resistencia correspondiente a Rn U Resistencia requerida Se consideraron las siguientes combinaciones de carga (U): U 1.D 1. 6L P (3) U 1. D L R (4) Donde D carga por peso propio del puntal Lp carga por puntal adicional carga por presión de roca L R En el diseño del acero de refuerzo se consideró también que las barras longitudinales entre estribos no deben ser menores de 0.01 veces el área neta del concreto ni mayores de La resistencia nominal del concreto se calculó con la siguiente expresión: Pn max f c ( A g A st ) f y A st (5) Donde f c Resistencia a compresión del concreto a los 8 días A g Área bruta de la sección transversal del Puntal A st Área de acero de refuerzo suministrado Factor de reducción de resistencia (elemento sujeto a compresión) 5

6 XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Acapulco, Guerrero 01. Figura 4 Modelo II: Puntal central, Puntal lateral, Ménsulas, Cartabones y Placas Base. El objetivo del segundo modelo fue la revisión del sistema de conexión, cuya geometría se modeló mediante una malla de elemento finito a escala real, empleando el software SAP000 V14. Se utilizaron elementos de tipo Sólido para modelar el puntal central y lateral y elementos del tipo Shell para modelar la placas de conexión, tal es el caso de las ménsulas y cartabones que se unen a las Placas Base. Cabe resaltar que la geometría de la placa base en la cara aguas arriba de la Galería de Oscilación se construyó por medio de una malla con geometría radial. Las condiciones de frontera (apoyos) son las siguientes: La placa base en la cara aguas abajo fue restringida al desplazamiento en sus en dirección ±Z, ±Y y -X mediante ocho anclas de fricción y en la dirección +X fue restringida mediante apoyo elástico ver ec. 1, mientras que la Placa Base colocada en la cara aguas arriba con geometría radial es restringida al desplazamiento en sus tres dirección ±Z, ±Y y +X mediante ocho anclas sujetas al armado de refuerzo que conforman los pilares de la Galería de Oscilación y en dirección -X se restringió mediante la ecuación 1 sustituyendo las propiedades mecánicas de la roca por las del concreto, finalmente se adiciono tensores de longitud corta en el perímetro de ambas placas base. Tabla 5 Características geométricas de los elementos (modelo II) Elemento Elemento tipo Ancho o espesor m Alto m Longitud m Puntales Solid Placas Base aguas arriba Shell Placa Base aguas abajo Shell Ménsulas Shell Cartabones Shell Casquillo Shell Anclas Frame = Se determinó que para el análisis estructural del sistema de conexión: placas base, casquillo, ménsulas y cartabones, las cargas a las cuales estará sometida el sistema serán las mismas que para el primer modelo antes descrito, sin embargo, por estar la revisión enfocada a elementos metálicos se utilizó las 6

7 especificaciones de Diseño con Factores de Carga y Resistencia LRFD (Load and Resistance Factor Design Specifications) que se fundamenta mediante la siguiente expresión: Donde: Rn Resistencia nominal Factor de resistencia correspondiente a Rn i Q i Resistencia requerida i tipo de carga Qi Efecto de carga nominal Factor de carga correspondiente a Qi i R Q (6) n Para la verificación de los esfuerzos en el sistema de conexión, se procedió comparando que el esfuerzo de Von Mises obtenido del análisis estructural sea igual o inferior a /3 del esfuerzo de fluencia f y en el rango elástico del acero estructural ASTM A36. i i ( 1 ) ( 1 3) ( 3) f y 1 vm 3 (7) Donde: vm Esfuerzo de Von Mises 1 Esfuerzo principal en dirección 1 Esfuerzo principal en dirección 3 Esfuerzo principal en dirección 3 PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO Determinada las características geométricas del puntal de soporte y el acero de refuerzo que lo conforma, se prosiguió con la fabricación de 6 puntales con las siguientes particularidades (véase figura 5): en sus extremos se localiza el Casquillo metálico el cual es asegurado por medio de pernos estructurales soldados en el interior de las Placas que conforman el casquillo, se colocó dos barras de 38.1 mm de diámetro dobladas (en forma de U invertida) sobresaliendo de la sección de concreto para izar el puntal. En el fondo se observa la cimbra metálica utilizada para garantizar la geometría requerida de proyecto. Figura 5: Armado del Puntal de Soporte 7

8 XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Acapulco, Guerrero 01. Mientras tanto en la Galería de Oscilación se colocan las anclas de fricción y el acero de refuerzo para los Muros en la cara aguas abajo y Pilares en la cara aguas arriba, en el paño superior del refuerzo de los Muros y Pilares se colocan las Placas Base sujetas por medio de anclaje y tensores de acero. Cabe mencionar que para garantizar la independencia (separación) entre el muro principal y la zapata de los puntales, se interrumpió el acero de refuerzo de los muros en la línea que determina el perímetro de la zapata, sin embargo se colocaron barras perimetrales de mm en el eje neutro del muro, para permitir la sujeción y no permitir directamente la transferencia de momentos internos de la zapata hacia los muros. Al completar la colocación del acero de refuerzo, anclas, tensores y placas base perfectamente ubicadas y alineadas en su posición de proyecto, se continúo con la presentación de la cimbra deslizante, la cual permite un vaciado de concreto constante, es decir de forma ininterrumpida deslizando los 56.3 m de altura de los muros. Para lograr lo anterior la cimbra deslizante no debe tener ningún obstáculo en su recorrido, es por esto que el sistema de sujeción metálico permite cumplir con este requerimiento constructivo. Concluyendo el fraguado, así como el curado de los muros y pilares de la Galería de Oscilación, se procede a trasladar los puntales de soporte hacia el interior de la Galería, introduciéndolos por el Túnel de Desfogue, para su elevación y colocación se prepara el equipo mecánico, compuesto por: cables de tensión, poleas, y andamios colgados a la altura necesaria para proceder con la colocación y soldadura de la Placa de Asiento y Ménsulas de carga donde se apoyara el Puntal de Concreto a través del casquillo localizado en sus extremos, se inicia así la colocación de la primer fila de Puntales de soporte en orden descendente levantando los Puntales desde la elevación del piso de la galería msnm hasta la altura de colocación (véase Figura 6). Al estar el puntal en su elevación correspondiente, este se centra y alinea con la Placa Base y Placa de Asiento, posteriormente se sueldan las ménsulas superiores y cartabones laterales al Casquillo y Placa Base, al concluir con el proceso de soldadura se prosigue con el relleno de la junta de tolerancia compuesta por un cementante (grout) de alta resistencia y fibra metálica. Finalmente se cubren con pintura anticorrosiva las partes metálicas del sistema de conexión para evitar el deterioro de la estructura. Figura 6 Colocación de Puntales Vista desde playa de montaje de compuertas 8

9 Figura 7 Colocación de puntales vista transversal 9

10 XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Acapulco, Guerrero 01. Figura 8 Puntales colocados en el Pilar Radial 10

11 CONCLUSIONES Los análisis geotécnicos realizados permitieron concluir que la mejor alternativa de estabilización para la cuña máxima es por medio de Puntales de soporte entre los Pilares y Muros de la Galería de Oscilación, esto se logró realizando la combinación entre elementos de concreto y un ingenioso sistema metálico de conexión localizado en los extremos del Puntal. Los análisis estructurales realizados mediante la modelación concluyeron que la deformación máxima se encuentra dentro del orden de m en dirección vertical (z) y m en dirección horizontal (x) medido en el centro del puntal, en cuanto elementos mecánicos se tienen momentos inferiores a 90 kn-m y cortante inferiores a 160 kan, los esfuerzos en las placas, ménsulas y cartabones fueron inferiores a MPa, las deformaciones en las ménsulas fueron similares a los valores de deformación del primer modelo. La conexión realizada para los Puntales de soporte permitió cumplir con el programa de construcción al no detener los colados en los Muros y Pilares de la Galería de Oscilación ya que en ningún momento se obstruyo el recorrido de la cimbra deslizante, cabe resaltar que el mecanismo para izar los puntales fue una alternativa adecuada para no utilizar grúas de montaje dentro del interior de la galería. El procedimiento de análisis estructural mediante la construcción de los modelos de elemento finito empleados, permitieron la comprensión del comportamiento estructural de todo el sistema de estabilización, dejando a un lado las incertidumbres que se pudieran tener al utilizar los métodos semiempíricos lo cual hubiera dado como resultado una conexión más robusta, y difícil de construir retrasando el proyecto y poniendo en riesgo la seguridad de la Galería de Oscilación y de las Obras de Generación. Finalmente con la finalidad de estudiar el comportamiento de la Galería de Oscilación en conjunto con los puntales se instaló un sistema de instrumentación compuesto por extensómetros de barras para medir las deformaciones de los puntales y de ahí inferir las cargas correspondientes. También se instalaron extensómetros de barras en las paredes de la Galería de Oscilación para medir los movimientos de una potencial cuña de roca. REFERENCIAS American Concrete Institute (008), Requisitos de reglamento para concreto estructural (ACI 318S-08) y Comentarion, ACI, USA, 513 pp. American Institute of Steel Construction (001) Manual of Steel Construction Load and Resistance Factor Design 3 ra ed., AISC, USA, 470 pp. Bowles, J. E. (1996), Foundation Analysis and Design, Mc Graw Hill, USA, pp González, O. y Robles, F. (006). Aspectos fundamentales de concreto reforzado, Limusa, México, pp 80. Petrops, P. (1991), Ground Anchors and Anchored Structures, Interscience Publication, Canada. Hibbeler R.C. (005), Mechanics of Materials, Pearson, USA, 873 pp. Vinnakota S. (006), Estructuras de acero: comportamiento y LRFD, Mc Graw Hill, México, 904 pp. Vallejo, G. (005), Ingeniería Geológica, Limusa, España, 693 pp. Zeevaert W., L. (198), Foundation Engineering for difficult Subsoil Conditions, Second Edition, Van Nostrand Reinhold, New York. 11