EVALUACIN DE LA ESTABILIDAD POSTSSMICA DE LA PRESA LOS CARACOLES

Francisco Zabala*, Rubn Rodari*, Luciano Oldecop* y Fernando Bustos**

* Instituto de Investigaciones Antissmicas Ing. Aldo Bruschi, Universidad Nacional de San Juan Av. Libertador Oeste 1290, San Juan. fzabala@unsj.edu.ar

** Energa Provincial Sociedad del Estado, San Juan

RESUMEN

En este trabajo se describe el anlisis de estabilidad de los taludes de la presa de grava con pantalla de hormign Los Caracoles, ubicada sobre el Ro San Juan, en la Provincia del mismo nombre, bajo una hiptesis de daos post terremoto en la pantalla de hormign y en la pared moldeada. Para esto se evalu el funcionamiento del sistema de drenaje interno de la presa, con el fin de obtener la posicin de la superficie fretica, los gradientes hidrulicos y las cotas piezomtricas asociadas, mediante un modelo de elementos finitos bidimensionales. Se realizaron anlisis de sensibilidad sobre las permeabilidades de los materiales constituyentes de los drenes, y del material de apoyo de la pantalla de hormign. Adicionalmente se obtuvo una estimacin del tiempo que transcurrira entre el agrietamiento falla de la cara de hormign y la aparicin de flujo por el pie del talud de aguas abajo de la presa. Para esto se utiliz un modelo bidimensional de flujo hidrulico transitorio, procesado con un programa de diferencias finitas. Estos resultados fueron posteriormente utilizados como datos de entrada para realizar el anlisis de estabilidad de los taludes de la presa en condiciones estticas y de esa manera evaluar su seguridad post terremoto. Palabras clave: Los Caracoles, anlisis de flujo, estabilidad post terremoto

INTRODUCCIN

El aprovechamiento hidroelctrico Los Caracoles se ubica sobre el ro San Juan, aguas abajo de la confluencia entre este ro y el ro Sasso, en el lmite entre los departamentos Ullm y Zonda, a 3131 de latitud sur y 6859 de longitud oeste (figura 1). El componente principal del aprovechamiento es una presa de materiales sueltos (gravas y enrocados) con pantalla y pared moldeada de hormign, de 129 metros de altura sobre el nivel del ro (138 metros sobre el nivel de fundacin) y 620 metros de longitud de coronamiento. El volumen de materiales sueltos empleado en la construccin de la presa es aproximadamente 11.000.000 m. La figura 2 muestra la seccin transversal mxima del cuerpo de la presa, incluyendo la zonificacin de materiales.

Jachal

San Juan

1 2

3

67

1

365

47

2

Presa (Alt.[m]) Tipo

Cuesta del Viento(100)Los Cauquenes(45)Pascua-Lama(100)Ullm(60)

Punta Negra(120)Los Caracoles(138)El Pachn

MSZHRMMSZ

MSPMSPRM

Etapa

OOPO

CCP

MSZ: Materiales sueltos zonificada H: Presa de hormignRM: Presa de relaves minerosMSP: Mat. sueltos con pantalla de H

O: En operacinC: En construccin

P: En proyecto

Oasis bajo riego

72 Long. Oeste 66,5

29LatSur

32,5

1894(8)

1944(7.4)

1952(7)1977(7.4)

5 4

1977(7.4)Terremoto histrico:Ao(Magnitud)Falla activa

Presa7

REFERENCIAS

0 20 40 60 80 100 Km

Presa (Alt.[m]) Tipo Etapa

Figura 1. Provincia de San Juan. Presas, fallas activas y epicentros de terremotos histricos.

La presa, actualmente en la etapa final de construccin, est ubicada en una de las zonas de

mayor actividad ssmica del pas, aguas arriba de los aprovechamientos Punta Negra (en construccin) y Ullm (operativo), y asimismo aguas arriba de los valles de Ullm-Zonda y Tulum, que albergan a la mayor parte de la poblacin y de las reas productivas de la provincia (figura 1). De acuerdo con el estudio de amenaza ssmica correspondiente al proyecto (IDIA-UNSJ 2003), el terremoto extremo o de seguridad (TS) corresponde a un evento de magnitud Mw = 7,7 con epicentro a 5 km de la presa, con una aceleracin horizontal mxima a nivel de la roca igual a 1,02g. Como parte de los criterios de diseo establecidos para el proyecto se realiz una verificacin de la estabilidad esttica post sismo de los taludes de la presa, asumiendo una hiptesis de daos en la pantalla de hormign y en la pared moldeada por efecto del terremoto. Para cumplir

este objetivo se evalu el funcionamiento del sistema de drenaje interno de la presa para obtener la posicin de la superficie fretica, los gradientes hidrulicos y las cotas piezomtricas asociadas. Estos resultados fueron posteriormente utilizados como datos de entrada para realizar anlisis de estabilidad de los taludes de la presa en condiciones estticas.

Figura 2. Seccin transversal mxima de la presa.

La evaluacin del sistema de drenaje interno de la presa se efectu mediante modelos de

elementos finitos bidimensionales, procesados con el programa Seep2D (Brigham Young University 1998). Se realizaron anlisis de sensibilidad sobre las permeabilidades de los materiales constituyentes de los drenes (material D, fig. 2), y sobre el material de apoyo de la pantalla de hormign (material 2, fig. 2).

Adicionalmente se obtuvo una estimacin del tiempo que transcurrira entre la falla de la

cara de hormign y la aparicin de flujo por el pie del talud de aguas abajo de la presa. Para esto se analiz un modelo bidimensional de flujo hidrulico transitorio, procesado con el programa de diferencias finitas VS2DI (Hsieh, Wingley & Healy 2000).

Los anlisis de estabilidad esttica se realizaron utilizando el programa de computadora

STABL (Siegel 1975), que utiliza un mtodo de equilibrio de dovelas para calcular los factores de seguridad asociados a un conjunto de superficies de falla definido por el usuario.

EVALUACIN DEL COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA DE DRENAJE INTERNO

DE LA PRESA

Definicin de la geometra del modelo. Hiptesis de dao de la presa Para definir la geometra y zonificacin de materiales de la presa utilizados para los modelos

bidimensionales se consider la seccin mxima (figura 2). Como hiptesis de dao de la presa, se consider que, luego de la ocurrencia del sismo TS,

la cara de hormign por encima de la cota 1047 pierde totalmente su estanqueidad en un tramo de 200 metros de ancho medido en forma horizontal y perpendicular al flujo del ro. El resto de la pantalla se ha considerado impermeable. Adicionalmente, se consider que la pared moldeada ha sufrido daos, y que en esta se ha producido una abertura de dos metros, ubicada a la mitad de su

altura, que disminuye la permeabilidad del muro a los valores de permeabilidad asumidos para el aluvin.

Estimacin de coeficientes de permeabilidad. Casos de verificacin. La determinacin de los coeficientes de permeabilidad para los anlisis de flujo se realiz

sobre la base de datos de campo y bibliografa. Los criterios utilizados para definir las permeabilidades de cada material se resumen a continuacin.

Material 2: De los resultados de un ensayo Lefranc realizado in situ se determin un coeficiente

de permeabilidad vertical para el material igual a 1x10-4cm/s. En base a la granulometra del material 2, le corresponde un coeficiente de

permeabilidad del orden de 10-2 cm/s, de acuerdo a las recomendaciones de Hough (1969).

En la figura 3 se comparan las curvas granulomtricas lmite especificadas para el material 2, con curvas tpicas de bases para pavimento (Idaho Transportation Department 2005), para las cuales se tienen medidas de permeabilidad. De la figura mencionada se puede estimar un coeficiente de permeabilidad menor que 1x10-2 cm/s.

En la figura 3 tambin se observa que la especificacin granulomtrica establecida por el proyecto, es similar a las recomendadas por Hacelas & Marulanda (1989) y por ICOLD (2004), para el material de apoyo de la cara de hormign de presas CFRD, aunque con un contenido de finos menor que el recomendado por Hacelas & Marulanda (1989), y mayor que el recomendado por ICOLD (2004). A la granulometra recomendada por Hacelas & Marulanda (1989) se le asocia un coeficiente de permeabilidad de 1x10-4 cm/s o menor. La gradacin recomendada por ICOLD (2004) permite obtener permeabilidades menores que 1x10-2 cm/s.

Segn datos publicados por Terzaghi et al (1996), la permeabilidad asociada a la granulometra especificada para el material 2, se ubica en el rango 1x10-3 cm/s a 1x10-2 cm/s.

Sobre la base de estos datos se adopt, en forma conservadora, para la modelacin del

material 2, un coeficiente de permeabilidad horizontal igual a 1x10-2 cm/s y un coeficiente de permeabilidad vertical igual a 1x10-3 cm/s. Para estimar la sensibilidad del modelo a la permeabilidad del material 2, se analiz un caso con permeabilidad 10 veces menor tanto en direccin vertical como horizontal.

Materiales 3B, 3B, 3L y 3D: Las granulometras lmite especificadas por el proyecto para los materiales 3L y 3B

presentan gran similitud entre s. Por lo anterior, se considera que ambos materiales tienen idntica permeabilidad.

Los ensayos realizados sobre terraplenes de prueba y en excavaciones en el cuerpo de la presa en construccin, reportan coeficientes de permeabilidad variando en el rango 1x10-2 cm/s 1x10-1 cm/s para los materiales 3B y 3L.

Hough (1969) recomienda un rango de permeabilidades entre 1x10-2 cm/s y 1x10-1 cm/s para materiales con caractersticas granulomtricas como las de los materiales 3B y 3L.

200 80 50 30 20 16 10 8 4 3/8"1/2" 1" 112" 2" 3"3/4"0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

GRAVAARENAARENAMEDIA

ARENA FINA

42.3

3 cm

/seg

12.7

07.

00

4.93

2.110.

035

0.017

6

0.007

1

0.003

5

0.000

7

PO

RC

ENTA

JE P

ASA

TAMAO DEL TAMIZ (U.S.)

Lmite

supe

rior m

ateria

l 2

Lmite

inferio

r mate

rial 2

Hacelas y Marulanda (1989)

ICOLD (2004)

Figura 3. Permeabilidad del material 2 (adaptado de Idaho Transportation Department 2005).

Sobre la base de estos datos se adopt para la modelacin de los materiales 3B y 3L un

coeficiente de permeabilidad horizontal igual a 1x10-1 cm/s, y un coeficiente de permeabilidad vertical igual a 1x10-2 cm/s. Las zonas de transicin entre los materiales 3B y D, formadas por material 3B, se consideraron con la misma permeabilidad que los materiales 3B y 3L. El mismo criterio se adopt para la zona 3D, formada por material 3L (compactado) o enrocado 3C (no compactado por debajo de cota 1035 msnm), con un contenido de finos algo mayor que el permitido al material 3L.

Material D: Para el diseo preliminar del drenaje interno de la presa realizado en la etapa inicial

de la obra se consider una permeabilidad horizontal del material D igual a 20 cm/s. Para materiales con las especificaciones granulomtricas del material D, Hough

(1969) recomienda una permeabilidad de 20 cm/s. Para considerar el efecto del flujo turbulento asociado a gradientes altos, USACE

(1993) recomienda un coeficiente de reduccin de la permeabilidad igual a 0,5. La permeabilidad en la zona de los drenes horizontales (finger-drain), debe reducirse

en un modelo bidimensional, para tomar en cuenta las zonas de baja permeabilidad existentes entre los cuatro drenes. El factor de reduccin se tom igual a 0,4.

A los tramos de drenes horizontales embebidos en material 3C al pie del talud de aguas abajo se les debe asignar permeabilidades ponderadas por la presencia de material 3C entre los drenes horizontales.

Sobre la base de estos datos considerando en forma conservadora una permeabilidad de 20

cm/seg, la reduccin de permeabilidad por flujo turbulento y la seccin transversal equivalente de dren, se adopt, para el dren chimenea y la solera drenante una permeabilidad horizontal igual a 10

cm/s y una permeabilidad vertical igual a 2 cm/s. Para los drenes horizontales se adopt una permeabilidad horizontal igual a 4 cm/s y una permeabilidad vertical igual a 8 x 10-1 cm/s. Para los tramos de drenes embebidos en material 3C se adopt una permeabilidad igual a 10 cm/s, tanto en direccin horizontal como en direccin vertical.

Para estimar la sensibilidad del modelo a la permeabilidad del material D, se analiz un caso

reduciendo la permeabilidad de este material a la mitad, y otro caso combinando la reduccin de permeabilidad en el material D con la reduccin de permeabilidad en el material 2.

Materiales 3C y 4: Estos materiales se modelaron considerando una permeabilidad igual a 30 cm/s, estimada

comparando sus caractersticas granulomtricas con las recomendaciones de Hough (1969) y afectndola de un coeficiente igual a 0,7 para considerar los efectos del flujo turbulento (USACE 1993). Por lo tanto, se adopt una permeabilidad igual a 20 cm/s, tanto en direccin horizontal como en direccin vertical.

Aluvin: Los ensayos de permeabilidad en pozos en el aluvin de fundacin presentan una gran

dispersin de resultados, con permeabilidades variando entre 1 x 10-2 cm/s y 1 cm/s. Tomando un criterio conservador, se asume para el material de aluvin un valor de permeabilidad igual a 1 x 10-1 cm/s, tanto en direccin vertical como en direccin horizontal.

Se resumen en la tabla 1 las permeabilidades adoptadas para los 3 casos analizados en este trabajo.

Tabla 1. Coeficientes de permeabilidad para los materiales

Material

Caso bsico Permeabilidad

reducida en material D

Permeabilidad reducida en

materiales D y 2 kh

[cm/s] kv

[cm/s] kh

[cm/s] kv

[cm/s] kh

[cm/s] kv

[cm/s] 2 1x10-2 1x10-3 1x10-2 1x10-3 1x10-3 1x10-4

3B, 3B, 3L, 3D 1x10-1 1x10-2 1x10-1 1x10-2 1x10-1 1x10-2 D (chimenea y solera) 10 2 5 1 5 1

D (drenes horizontales) 4 8x10-1 2 4x10-1 2 4x10-1 D (embebido en 3C) 10 10 10 10 10 10

3C, 4 20 20 20 20 20 20 Aluvin 1x10-1 1x10-1 1x10-1 1x10-1 1x10-1 1x10-1

Anlisis de flujo despus de la ocurrencia del TS. Caso bsico

La red de flujo asociada a este caso se muestra en la figura 4. El nivel fretico se establece

aproximadamente 72 metros por encima de la solera drenante. El caudal por metro de ancho obtenido del modelo es igual a 0,043 m/s. El caudal total, para la hiptesis de falla de la pantalla en un tramo de 200 metros de ancho, es igual a 8,6 m/s. El gradiente de salida es igual a 0,04. El gradiente medio en el dren horizontal es aproximadamente 0,17.

Para este caso tambin se obtuvo una estimacin del tiempo transcurrido entre la falla de la cara de hormign y la aparicin de un flujo de agua a travs del pie del talud de aguas abajo de la

presa. Esta estimacin se llev a cabo procesando un modelo de diferencias finitas con el programa de computadora VS2DI (Hsieh, Wingley & Healy 2000). El programa permite realizar la simulacin del transitorio de flujo de fluidos a travs de medios porosos no saturados. Las relaciones entre la presin, el contenido de humedad y la conductividad hidrulica relativa de los suelos se modelan utilizando las ecuaciones desarrolladas por Van Genuchten (1980).

La geometra de la presa y las hiptesis de dao adoptadas son las descritas anteriormente,

excepto la seccin daada de la pared moldeada, que no se ha considerado en el modelo transitorio. Como condicin inicial, el aluvin de fundacin se ha considerado saturado. Los parmetros de las ecuaciones de Van Genuchten utilizados son los recomendados por Hsieh, Wingley & Healy (2000) y Van Genuchten (1980) para suelos granulares de granulometra gruesa.

En las figuras 5 a 8 se observa la evolucin de las condiciones de saturacin y presin

intersticial del cuerpo de la presa. Del anlisis se ha estimado que aproximadamente 20 horas despus del terremoto TS, para las hiptesis de rotura de la pantalla y pared moldeada consideradas, se produce la salida del agua por el enrocado de material 3C al pie del talud de aguas abajo de la presa.

Figura 4: Red de flujo asociada al caso bsico

Figura 5a: Presiones en m.c.a. 5 horas despus del TS. Caso bsico

Figura 5b:Grado de saturacin 5 horas despus del TS. Caso bsico

Figura 6a: Presiones en m.c.a. 10 horas despus del TS. Caso bsico

Figura 6b: Grado de saturacin 10 horas despus del TS. Caso bsico

Figura 7a: Presiones en m.c.a. 15 horas despus del TS. Caso bsico

Figura 7b: Grado de saturacin 15 horas despus del TS. Caso bsico

Figura 8a: Presiones en m.c.a. 20 horas despus del TS. Caso bsico

Figura 8b: Grado de saturacin 20 horas despus del TS. Caso bsico

Anlisis de flujo despus de la ocurrencia del TS. Caso con permeabilidad reducida en el material D

La red de flujo asociada a este caso se muestra en la figura 9. El nivel fretico es ms elevado que el correspondiente al caso bsico, ubicndose aproximadamente 90 metros por encima de la solera drenante. El caudal por metro de ancho obtenido del modelo es igual a 0,037 m/s, por lo que una falla de la pantalla de hormign en un tramo de 200 metros de ancho producira un caudal de salida total igual a 7,4 m/s. El gradiente de salida encontrado es aproximadamente 0,04, comparable al correspondiente al caso bsico, aunque el gradiente medio en el dren horizontal es algo mayor, alcanzando un valor igual a 0,21.

Anlisis de flujo despus de la ocurrencia del TS. Caso con permeabilidad reducida en

los materiales D y 2

La red de flujo asociada a este caso se muestra en la figura 10. El efecto de un material 2 con permeabilidad reducida es evidente. El rea saturada es menor que en los casos anteriores, con el nivel fretico establecido aproximadamente 46 metros por encima de la solera drenante. El caudal por metro de ancho obtenido es menor que los asociados a los modelos anteriores: 0,021 m/s, o 4,2 m/s para una falla de la pantalla de hormign en un tramo de 200 metros de ancho. El gradiente de salida encontrado es aproximadamente 0,03, menor que los correspondientes a los casos anteriores. Tambin se observa una disminucin del gradiente medio en el dren horizontal, alcanzando el valor 0,13.

Figura 9: Red de flujo asociada al caso con permeabilidad reducida en el material D

Figura 10: Red de flujo asociada al caso con permeabilidades reducidas en materiales D y 2

EVALUACIN DE LA ESTABILIDAD ESTTICA DE LA PRESA LUEGO DEL TS

Mediante anlisis por equilibrio lmite se han identificado las superficies de deslizamiento de menor factor de seguridad para la estabilidad esttica del talud de aguas abajo de la presa, para las condiciones de infiltracin establecidas para el caso con permeabilidad reducida en el material D. La bsqueda de las superficies potenciales de deslizamiento se ha realizado utilizando el programa de computadora STABL (Siegel 1975).

Las hiptesis fundamentales para los anlisis realizados son:

1. Las condiciones hidrulicas, de posicin de la superficie libre y gradientes, son las correspondientes al caso con permeabilidad reducida en el material D analizado en la seccin III.4.

2. La resistencia de los suelos, caracterizada por su ngulo de friccin interna, corresponde a los valores residuales determinados por ensayos triaxiales. Las densidades secas adoptadas para los materiales se corresponden con las utilizadas por Oldecop & Zabala (2002) (tabla 2).

3. Se considera que las zonas formadas por material 2 (apoyo de la cara de hormign) y material 4 (enrocado de proteccin) no influyen de manera apreciable en la estabilidad del cuerpo de la presa, por lo que no se los ha tenido en cuenta para los anlisis de estabilidad esttica.

En la figura 11 se muestran las superficies de deslizamiento hacia aguas abajo de menor

factor de seguridad. No se analizaron superficies de deslizamiento del talud de aguas arriba, por considerar que la presin de agua sobre la cara de hormign y el sentido de las fuerzas de filtracin evitaran la generacin de ese tipo de mecanismos de falla. En la tabla 3 se indica el valor de factor de seguridad esttico obtenido para cada superficie.

C4

C5

C3

C2C1

Figura 11: Superficies potenciales de deslizamiento con menor factor de seguridad

Tabla 2. Propiedades de los materiales para los anlisis de estabilidad esttica

MATERIAL Densidad seca

[t/m] Fres[]

Aluvin 2,34 40 3B 2,40 44

3L, 3D 2,40 43 3C 1,70 38 D 1,70 38

Tabla 3. Factores de seguridad estticos asociados a las superficies de deslizamiento de la Figura 11.

Superficie Fs C1 1,38 C2 1,46 C3 1,48 C4 1,65 C5 1,72

CONCLUSIONES.

En las Figuras 4, 9 y 10 se observa que, en los tres casos modelados, la salida de agua ocurre en la zona protegida por el enrocado de material 3C. Sin embargo, en el caso correspondiente a la figura 9, la baja permeabilidad del material D eleva la lnea fretica. Esto provoca un acercamiento de la lnea fretica a la zona del talud de aguas abajo ubicada sobre el enrocado 3C.

De los anlisis realizados se concluye que el gradiente de salida est controlado

fundamentalmente por el material 3C. Los gradientes calculados cumplen con los criterios de estabilidad recomendados por USACE (1993).

El tiempo estimado para la salida de agua por el pie del talud de aguas abajo es de

aproximadamente 20 horas a partir de la rotura de la pantalla. Durante este tiempo el descenso del nivel de embalse conseguido con las acciones de emergencia previstas no sera significativo, por lo que se considera que los modelos de rgimen permanente evaluados en este trabajo son una estimacin adecuada de las condiciones hidrulicas posteriores al TS.

En el caso correspondiente a la figura 10 se observ que la permeabilidad del material de

apoyo de la cara de hormign (material 2) influye de manera apreciable sobre las condiciones hidrulicas del modelo. El material 2 es entonces un importante mecanismo de seguridad ante la prdida de estanqueidad de la pantalla de hormign.

El factor de seguridad esttico para la superficie potencial de deslizamiento ms

comprometida (superficie C1 en la figura 11 y la tabla 3) es ligeramente menor que el mnimo

exigido por los criterios de diseo ssmico de la presa. Las restantes superficies analizadas cumplen con los requisitos establecidos para la seguridad esttica postssmica.

A partir de los anlisis realizados se prev un comportamiento adecuado de la presa en caso de una prdida de estanqueidad de la cara de hormign provocada por un terremoto.

BIBLIOGRAFA

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