Análisis del comportamiento hidráulico de la presa Mulacorral

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(1)I. ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL. FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO HIDRÁULICO DE LA PRESA MULACORRAL. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL. DIANA CAROLINA LÓPEZ REYES cadilopezreyes@hotmail.com VERÓNICA VALERIA YÉPEZ MARTÍNEZ vevaym@hotmail.es. DIRECTORA: ING. XIMENA HIDALGO BUSTAMANTE Ximena.hidalgob@gmail.com. Quito, septiembre 2011.

(2) II. DECLARACIÓN. Nosotras, Diana Carolina López Reyes, Verónica Valeria Yépez Martínez, declaramos que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. La. Escuela. Politécnica. Nacional,. puede. hacer. uso. de. los. derechos. correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.. ____________________ Verónica Valeria Yépez. ______________________ Diana Carolina López.

(3) III. CERTIFICACIÓN Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Diana Carolina López Reyes y Verónica Valeria Yépez Martínez, bajo mi supervisión.. ______________________________ Ing. Ximena Hidalgo Bustamante DIRECTORA DEL PROYECTO.

(4) IV. AGRADECIMIENTOS En principio debo agradecerle a Dios por cada minuto de vida que supo obsequiarme, pues cada uno de ellos me ha servido para aprender, para ser feliz, para equivocarme, para todo. Después debo agradecerles a mis padres Hilther y Flor, por permitirme vivir mis decisiones, mis sueños y algunas de mis locuras. Hay tantas personas a quienes debo agradecerles, empezando por mi hermano Henry por darme fuerza y confiar en mí siempre. A mi Chulis, mi amiga de la dicha y la desdicha, mi cómplice y muchas veces mi fortaleza, mil gracias por apoyarme y estar conmigo siempre desde el cole. A mis amigos Leninsillo, Christian, Andrés y Elsita, por su compañía durante este largo camino, la Poli no habría sido lo mismo sin ustedes. Al resto de mi familia, en especial a mis tíos Ulvio y Gladys, y a mis ñaños Mary, Patty y Byron, por siempre apoyarme en las buenas y en las malas, por ser mi ejemplo, por su cariño y en especial por sus abrazos. A mi media mitad, Vero, gracias por embarcarte conmigo en este proyecto, en este reto del que a veces no vimos la salida y más que ello por ser mi amiga, por estar conmigo en las buenas y en las no tan buenas, por escucharme y darme tu consejo. Al Dr. Marco Castro, a la Ing. Ximena Hidalgo, al Ing. Jorge Valverde y al Ing. Carlos Sánchez, por apoyarnos en todo lo que estuvo en sus manos para poder finalizar este proyecto. Y finalmente, pero no menos importante al Dr. Remigio Galárraga por su cariño, su buen humor, su manera de enseñar y por siempre estar ahí para ayudarnos en cada una de nuestras dudas. De nuevo millones de gracias a tod@s, mi mayor alegría es saber que siempre estaremos juntos hasta el final de los tiempos. Dianis.

(5) V. AGRADECIMIENTOS. A mis padres, por enseñarme lo grande y satisfactorio que es terminar una etapa tan importante de mi vida, no encuentro las palabras para poder agradecer todo el apoyo y la confianza que han sabido depositar en mí.. A Dianis por ser la compañera y sobre todo la amiga que me acompañó en este camino lleno de dificultades, pero que al final hemos podido salir vencedoras. Gracias por darme ánimos para seguir adelante y no desmayar.. A mis compañeros, por haber estado en los momentos buenos y malos, con los cuales aprendimos a trabajar en equipo, enfrentarlos y superarlos.. Al Doctor Remigio Galárraga por ser una parte fundamental para el desarrollo de este trabajo. ¡Gracias por creer en mí!. A mis maestros, por ser la fuente de sabiduría y por saber compartirla, por brindarme los conocimientos que en un futuro me dejarán ser una profesional con valores como la ética y disciplina que me llevarán al éxito.. Al Ing. Carlos Sánchez por brindarnos su ayuda y colaboración.. VEVAYM.

(6) VI. DEDICATORIA. Este trabajo se lo dedico a mi tío Ulvio, estoy segura que nadie en este mundo estaría más orgulloso y feliz, y al resto de mi familia y amigos.. Dianis.

(7) VII. DEDICATORIA. Dedico este trabajo mi familia por ser la parte más importante de mi vida y saber que siempre puedo contar con ustedes.. Dedico también este trabajo a todas las personas que de una u otra forma formaron parte del mismo.. VEVAYM.

(8) VIII. CONTENIDO DECLARACIÓN ..................................................................................................... II CERTIFICACIÓN .................................................................................................. III AGRADECIMIENTOS ........................................................................................... IV DEDICATORIA ...................................................................................................... VI CONTENIDO ....................................................................................................... VIII ÍNDICE DE TABLAS ........................................................................................... XIII ÍNDICE DE FIGURAS .......................................................................................... XV ÍNDICE DE FOTOGRAFÍAS.............................................................................. XVIII RESUMEN .......................................................................................................... XIX ABSTRACT .......................................................................................................... XX PRESENTACIÓN ................................................................................................ XXI CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 1 1.1 GENERALIDADES. PRESAS DE MATERIALES SUELTOS ....................... 1 1.2 PRESAS DE MATERIALES SUELTOS ....................................................... 2 1.3 CLASIFICACIÓN DE PRESAS DE MATERIALES SUELTOS ..................... 3 1.3.1 PRESAS DE MATERIAL HOMOGÉNEO ............................................. 3 1.3.2 PRESAS DE MATERIAL HOMOGÉNEO MODIFICADAS ................... 3 1.3.3 PRESAS NO HOMOGÉNEAS CON NÚCLEO ..................................... 4 1.3.4 PRESAS CON CARA DE HORMIGÓN ................................................ 5 1.4 DESCRIPCIÓN DE LA OBRAS DE LA PRESA MULACORRAL .................. 6 1.4.1 CUENCA DEL PROYECTO ................................................................. 6 1.4.2 CLIMA .................................................................................................. 7 1.4.3 PROYECTO DE LA PRESA MULACORRAL ....................................... 7 1.4.4 DISEÑO DE LA PRESA MULACORRAL ............................................. 8 1.4.5 ZONIFICACIÓN INTERNA DE LA PRESA ........................................... 8 1.4.6 EMBALSE .......................................................................................... 11.

(9) IX. 1.4.7 OBRAS COMPLEMENTARIAS .......................................................... 11 1.5 ANÁLISIS BÁSICO DEL FLUJO EN MEDIOS POROSOS ......................... 14 1.5.1 LEY DE DARCY ................................................................................. 15 1.5.2 VARIACIÓN DE LA CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA ....................... 16 1.5.3 RED DE FLUJO.................................................................................. 17 CAPÍTULO 2 ANÁLISIS BÁSICO SOBRE LAS CONDICIONES DE LA SEGURIDAD HIDRÁULICA EN LA PRESA MULACORRAL. .................................................... 18 2.1 GENERALIDADES .................................................................................... 18 2.2 DESCRIPCIÓN DE LOS ELEMENTOS DE LA PRESA MULACORRAL .... 18 2.2.1 NÚCLEO ............................................................................................ 19 2.2.2 ESPALDONES O ESCOLLERAS....................................................... 19 2.2.3 FILTROS ............................................................................................ 21 2.3 REQUERIMIENTOS GENERALES PARA GARANTIZAR LA SEGURIDAD HIDRÁULICA .................................................................................................... 22 2.3.1 FILTROS ............................................................................................ 22 2.3.2 ZONAS DE TRANSICIÓN .................................................................. 23 2.3.3 REQUISITOS PARA FILTROS........................................................... 24 2.4 MECANISMOS DE FALLA......................................................................... 28 2.4.1 DEFORMACIÓN HIDRODINÁMICA DEL SUELO.............................. 29 2.4.2 DESARROLLO DE LA EROSIÓN ...................................................... 36 2.5 CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE FILTROS ........................................... 42 2.5.1 TERZAGHI (1922, 1948) .................................................................... 42 2.5.2 USBR (1947-1974, 1994) ................................................................... 43 2.5.3 SHERARD et al. (1979, 1984, 1989) .................................................. 45 2.5.4 FOSTER y FELL (1999) ..................................................................... 47 2.6 CRITERIOS GEOMÉTRICOS PARA LA SUFUSIÓN................................. 48 2.6.1 GENERALIDADES ............................................................................. 48 2.6.2 KENNEY et al. (1983, 1984, 1985) ..................................................... 49 2.6.3 BURENKOVA (1993).......................................................................... 51 2.6.4 WAN y FELL (2004) ........................................................................... 52.

(10) X. 2.7 ANÁLISIS DE LOS CRITERIOS PARA DISEÑO DE FILTROS Y GEOMÉTRICOS PARA LA SUFUSIÓN EN LA PRESA MULACORRAL........... 54 2.7.1 CRITERIOS PARA DISEÑO DE FILTROS ........................................ 54 2.7.2 CRITERIOS GEOMÉTRICOS PARA LA SUFUSIÓN......................... 56 CAPÍTULO 3 CIMENTACIÓN DE LA PRESA MULACORRAL. ................................................. 57 3.1 GENERALIDADES .................................................................................... 57 3.2 ENSAYOS REALIZADOS PARA EL DISEÑO DEFINITIVO DE LA PRESA MULA CORRAL ................................................................................................ 57 3.2.1 SÍSMICA DE REFRACCIÓN .............................................................. 57 3.2.2 RESISTIVIDAD ELÉCTRICA ............................................................. 58 3.2.3 PERFORACIONES ............................................................................ 59 3.2.4 PCA O CALICATAS ........................................................................... 62 3.2.5 ENSAYOS DE MECÁNICA DE SUELOS ........................................... 62 3.3 CARACTERIZACIÓN DE LA CIMENTACIÓN DE LA PRESA MULACORRAL ................................................................................................. 63 3.3.1 ESTRATIGRAFÍA REGIONAL............................................................ 63 3.3.2 DISEÑO DE LA CIMENTACIÓN ........................................................ 65 3.3.3 AJUSTES AL DISEÑO PREVIO A LA CONSTRUCCIÓN .................. 65 3.3.4 CARACTERÍSTICAS DEL SUELO DE CIMENTACIÓN ..................... 69 3.3.5 AJUSTES DURANTE LA CONSTRUCCIÓN ..................................... 69 CAPÍTULO 4 INSTRUMENTACIÓN DE LA PRESA MULACORRAL. ....................................... 72 4.1 GENERALIDADES .................................................................................... 72 4.2 DESCRIPCIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN DE LA PRESA MULACORRAL ................................................................................................. 72 4.2.1 PIEZÓMETROS ABIERTOS TIPO CASAGRANDE ........................... 73 4.2.2 MEDIDORES MAGNÉTICOS DE ASENTAMIENTO .......................... 77 4.2.3 CELDAS DE CARGA TOTAL ............................................................. 80 4.2.4 HITOS DE MOVIMIENTOS SUPERFICIALES ................................... 82 4.2.5 MEDIDORES DE CAUDALES............................................................ 82.

(11) XI. 4.3 PRESENTACIÓN DE MEDICIONES ......................................................... 84 4.3.1 CARGA PIEZOMÉTRICA (PROMEDIOS MENSUALES) ................... 84 4.3.2 CAUDALES DE INFILTRACIÓN ........................................................ 86 CAPÍTULO 5 MODELACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE LA PRESA MULACORRAL ....... 88 5.1 GENERALIDADES .................................................................................... 88 5.2 BASE TEÓRICA UTILIZADA. .................................................................... 89 5.2.1 FUNCIÓN DE CONTENIDO VOLUMÉTRICO DE AGUA .................. 89 5.2.2 FUNCIÓN DE CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA ................................ 97 5.2.3 LIMITACIONES ................................................................................ 100 5.3 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS...................................................... 101 5.3.1 ANÁLISIS DE LA VARIACIÓN DE LA CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA SATURADA................................................................................................. 101 5.3.2 ANÁLISIS DE LA CARGA DE PRESIÓN ......................................... 106 CAPÍTULO 6 ...................................................................................................... 111 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. .................................................... 111 6.1 CONCLUSIONES .................................................................................... 111 6.2 RECOMENDACIONES............................................................................ 114 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................... 116 ANEXOS ............................................................................................................ 117 ANEXO Nº1: CRITERIOS DE CLASIFICACIÓN GEOLÓGICO- GEOTÉCNICOS (SÍSMICA DE REFRACCIÓN Y RESISTIVIDAD) .............................................. 118 ANEXO Nº2: CRITERIOS DE CLASIFICACIÓN GEOLÓGICO –GEOTÉCNICOS (RECUPERACIÓN DE TESTIGOS Y RECUPERACIÓN DE AGUA DE CIRCULACIÓN) ................................................................................................. 120 ANEXO Nº3: ESQUEMAS DE ENSAYOS DE PERMEABILIDADA GRAVEDAD (CARGA CONSTANTE) ..................................................................................... 122 ANEXO Nº4: ESQUEMA ENSAYOS DE PERMEABILIDADA PRESIÓN (OBTURADOR SIMPLE) .................................................................................... 124.

(12) XII. ANEXO Nº 5: CRITERIOS DE CLASIFICACIÓN GEOLÓGICO – GEOTÉCNICO (PERMEABILIDAD IN SITU Y FRACTURACIÓN) ............................................. 126 ANEXO Nº 6: CRITERIOS DE CLASIFICACIÓN GEOLÓGICO-GEOTÉCNICOS (PENETRACIÓN ESTÁNDAR Y R.Q.D.) ........................................................... 128 ANEXO Nº 7: TABLAS DE CALIBRACIÓN CARGAS PIEZOMÉTRICAS .......... 130 ANEXO Nº 8: TABLAS DE VERIFICACIÓN CARGAS PIEZOMÉTRICAS......... 136 ANEXO Nº 9: TABLA DE CALIBRACIÓN Y VERIFICACIÓN CAUDALES DE INFILTRACIÓN .................................................................................................. 142 ANEXO Nº 10: GRÁFICAS MONITOREO VS. MODELACIÓN DE LA CARGA DE PRESIÓN ........................................................................................................... 144.

(13) XIII. ÍNDICE DE TABLAS TABLA 1: CARACTERÍSTICAS DE LOS TALUDES DE LA PRESA MULACORRAL ............................................................................................... 8 TABLA 2: MECANISMOS POR LOS CUALES PUEDE INICIARSE LA EROSIÓN INTERNA EN PRESAS. ................................................................................ 37 TABLA 3: CRITERIOS PARA LOS FILTROS SEGÚN EL USBR (1947-1994) (SEGÚN ICOLD 1994, PARK 2003) ............................................................. 43 TABLA 4: LÍMITES DEL TAMAÑO DEL MATERIAL GRUESO EN FILTROS PARA DISMINUIR EL SORTEO DE LA MEZCLA. .................................................. 45 TABLA 5: LÍMITES DEL TAMAÑO D15 PARA FILTROS CRÍTICOS EFICIENTES ...................................................................................................................... 46 TABLA 6: CRITERIOS RECOMENDADOS CON NINGUNA EROSIÓN PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE FILTROS............................................................ 47 TABLA 7: CRITERIOS RECOMENDADOS PARA LA EROSIÓN FUERTE Y PARA LA EROSIÓN PROGRESIVA........................................................................ 48 TABLA 8: ESQUEMA DE CLASIFICACIÓN SEGÚN WAN Y FELL CON AYUDA DE LOS CRITERIOS DE BURENKOVA Y DE KENNEY Y LAU ................... 53 TABLA 9: DIÁMETROS DEL FILTRO OBTENIDOS DE LA CURVA GRANULOMÉTRICA. ................................................................................... 54 TABLA 10: DIÁMETROS DEL NÚCLEO OBTENIDOS DE LA CURVA GRANULOMÉTRICA. ................................................................................... 54 TABLA 11: CRITERIOS DE TERZAGUI APLICADOS A LA PRESA MULACORRAL. ............................................................................................ 54 TABLA 12: CRITERIOS DE USBR APLICADOS A LA PRESA MULACORRAL.. 55 TABLA 13: CRITERIOS DE USBR (1987-1994) APLICADOS A LA PRESA MULACORRAL. ............................................................................................ 55 TABLA 14: CRITERIOS DE SHERARD ET AL. APLICADOS A LA PRESA MULACORRAL. ............................................................................................ 55 TABLA 15: CRITERIOS DE FOSTER Y FELL (1999) APLICADOS A LA PRESA MULACORRAL. ............................................................................................ 55 TABLA 16: CRITERIO SEGÚN WAN Y FELL (2004) APLICADO A LA PRESA MULACORRAL. ............................................................................................ 56.

(14) XIV. TABLA 17: UBICACIÓN DE LOS PIEZÓMETROS EN LA PRESA MULACORRAL ...................................................................................................................... 75 TABLA 18: UBICACIÓN DE LOS MEDIDORES MAGNÉTICOS DE ASENTAMIENTOS DE LA PRESA MULACORRAL ..................................... 79 TABLA 19: UBICACIÓN DE LAS CELDAS DE CARGA TOTAL EN LA PRESA MULACORRAL ............................................................................................. 81 TABLA 20: UBICACIÓN DE LOS HITOS DE MOVIMIENTOS HORIZONTALES EN LA PRESA MULACORRAL ..................................................................... 82 TABLA 21: PROMEDIOS MENSUALES DE CAUDALES DE INFILTRACIÓN DE LA PRESA MULACORRAL 2006-2010 ......................................................... 86.

(15) XV. ÍNDICE DE FIGURAS FIGURA 1: PRESA COMPLETAMENTE HOMOGÉNEA ....................................... 3 FIGURA 2: PRESA HOMOGÉNEA MODIFICADA................................................. 4 FIGURA 3: PRESA NO HOMOGÉNEA CON NÚCLEO CENTRAL ....................... 5 FIGURA 4: PRESA CON PANTALLA AGUAS ARRIBA ......................................... 6 FIGURA 5: ZONIFICACIÓN INTERNA DE LA PRESA MULACORRAL ................ 9 FIGURA 6: EXPERIMENTO DE DARCY ............................................................. 15 FIGURA 7: VARIACIÓN DE LA CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA ...................... 17 FIGURA 8: RED DE FLUJO EN UN DOMINIO RECTANGULAR ........................ 17 FIGURA 9: GRANULOMETRÍA DEL FILTRO Y NÚCLEO DE LA PRESA MULACORRAL ............................................................................................. 21 FIGURA 10: CONDICIONES DE FLUJO QUE ACTÚAN SOBRE EL FILTRO .... 23 FIGURA 11: FISURAS (GRIETAS) INTERNAS Y PARALELAS AL EJE A CAUSA DE ASENTAMIENTOS DIFERENCIALES .................................................... 24 FIGURA 12: CONDICIONES DE FLUJO QUE ACTÚAN SOBRE EL FILTRO .... 27 FIGURA 13: TIPOS DE GRANULOMETRÍA DE SUELO INTERNAMENTE INESTABLE Y SUSCEPTIBLE A LA SUFUSIÓN ......................................... 29 FIGURA 14: ASENTAMIENTO DE LA CORONA DE LA PRESA DEBIDO AL TRANSPORTE DE MATERIAL FINO – FALLA POR INUNDACIÓN. ........... 30 FIGURA 15: ESQUEMA DE LA SUFUSIÓN DE MATERIALES SUELTOS ......... 31 FIGURA 16: REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DE LAS FORMAS DE EROSIÓN DE MATERIAL SUELTO ............................................................. 32 FIGURA 17: DESARROLLO DE LA EROSIÓN REGRESIVA A TRAVÉS DEL NÚCLEO Y DEL PARAMENTO DE AGUAS ARRIBA DE LA PRESA .......... 33 FIGURA 18: DESARROLLO DE LA EROSIÓN REGRESIVA A TRAVÉS DE LA CIMENTACIÓN, AL PIE DE LA PRESA........................................................ 33 FIGURA 19: DESARROLLO DE LA EROSIÓN REGRESIVA, INICIO EN LA TRANSICIÓN ENTRE EL NÚCLEO Y LA CIMENTACIÓN ........................... 33 FIGURA 20: ESQUEMA DE LOS PRINCIPALES TIPOS DE EROSIÓN DE CONTACTO .................................................................................................. 34.

(16) XVI. FIGURA 21: DESARROLLO DE LA EROSIÓN INTERNA POR LA UBICACIÓN DE ZONAS DE FILTRACIÓN CONCENTRADA A CAUSA DE UNA POSIBLE GRIETA EN EL NÚCLEO.............................................................................. 35 FIGURA 22: LÍMITES DE LA EROSIÓN EN FORMA CONCEPTUAL EN UN FILTRO. ........................................................................................................ 37 FIGURA 23: ENSANCHAMIENTO CONTINUO DE LOS TUBOS DE EROSIÓN 39 FIGURA 24: RUPTURA DEBIDO A LA DESTRUCCIÓN DEL ESPALDÓN O CUERPO DE APOYO DE AGUAS ARRIBA ................................................. 40 FIGURA 25: ÁRBOL O FLUJOGRAMA DE SUCESOS EN LA RUPTURA OCASIONADA POR LOS TUBOS DE EROSIÓN EN LA PRESA ................ 41 FIGURA 26: MATRIZ O MATERIAL BASE Y MATERIAL DE LOS FILTROS ...... 43 FIGURA 27: CRITERIO SEGÚN KENNEY Y LAU ............................................... 50 FIGURA 28: CLASIFICACIÓN DE MATERIALES SUFUSIVOS Y NO SUFUSIVOS. ................................................................................................ 52 FIGURA 29: CRITERIO SEGÚN KENNEY ET AL APLICADO A LA PRESA MULACORRAL ............................................................................................. 56 FIGURA 30: CRITERIO SEGÚN BURENKOVA APLICADO A LA PRESA MULACORRAL ............................................................................................. 56 FIGURA 31: PROCESO DE EJECUCIÓN PARA INYECCIONES. ...................... 68 FIGURA 32: PERFILES DE EXCAVACIÓN DE CIMENTACIÓN ......................... 71 FIGURA 33: GEOMETRÍA DE LAS SECCIONES DE LA PRESA MULACORRAL DONDE SE UBICAN LOS PIEZÓMETROS .................................................. 75 FIGURA 34: ABSCISA 0+170 .............................................................................. 83 FIGURA 35: CARGA PIEZOMÉTRICA (TOTAL) REGISTRADA EN LA ZONA ALTA DEL NÚCLEO ..................................................................................... 84 FIGURA 36: CARGA PIEZOMÉTRICA (TOTAL) REGISTRADA EN LA ZONA MEDIA DEL NÚCLEO ................................................................................... 85 FIGURA 37: CARGA PIEZOMÉTRICA (TOTAL) REGISTRADA EN LA CIMENTACIÓN ............................................................................................. 85 FIGURA 38: FUNCIÓN DE CONTENIDO VOLUMÉTRICO DE AGUA ................ 90 FIGURA 39: FUNCIONES TÍPICAS DE 3 TIPOS DE SUELO ............................. 92 FIGURA 40: FUNCIONES TÍPICAS PARA DIFERENTES MATERIALES DEFINIDAS EN EL GEOSTUDIO 2007 ........................................................ 96.

(17) XVII. FIGURA 41: VARIACIÓN TEMPORAL DE LA KSAT - SECCIÓN 0+70 ............... 102 FIGURA 42: VARIACIÓN TEMPORAL DE LA KSAT – SECCIÓN 0+122.8 ......... 102 FIGURA 43: VARIACIÓN TEMPORAL DE LA KSAT – SECCIÓN 0+170 ............ 103 FIGURA 44: VARIACIÓN TEMPORAL DE LA KSAT – SECCIÓN 0+178 ............ 103 FIGURA 45: VARIACIÓN TEMPORAL DE LA KSAT – SECCIÓN 0+209 ............ 104 FIGURA 46: VARIACIÓN TEMPORAL DE LA KSAT – SECCIÓN 0+250 ............ 104 FIGURA 47: VARIACIÓN TEMPORAL DE LA CARGA DE PRESIÓN EN LA SECCIÓN 0+70 ........................................................................................... 106 FIGURA 48: VARIACIÓN TEMPORAL DE LA CARGA DE PRESIÓN EN LA SECCIÓN 0+122.8 ...................................................................................... 106 FIGURA 49: VARIACIÓN TEMPORAL DE LA CARGA DE PRESIÓN EN LA SECCIÓN 0+122.8 – NIVEL 1..................................................................... 107 FIGURA 50: VARIACIÓN TEMPORAL DE LA CARGA DE PRESIÓN EN LA SECCIÓN 0+178. ........................................................................................ 107 FIGURA 51: VARIACIÓN TEMPORAL DE LA CARGA DE PRESIÓN EN LA SECCIÓN 0+178 – NIVEL 1. ...................................................................... 107 FIGURA 52: VARIACIÓN TEMPORAL DE LA CARGA DE PRESIÓN EN LA SECCIÓN 0+209. ........................................................................................ 108 FIGURA 53: VARIACIÓN TEMPORAL DE LA CARGA DE PRESIÓN EN LA SECCIÓN 0+209 – NIVEL 1. ...................................................................... 108 FIGURA 54: VARIACIÓN TEMPORAL DE LA CARGA DE PRESIÓN EN LA SECCIÓN 0+250 – NIVEL 1 ....................................................................... 108 FIGURA 55: VARIACIÓN TEMPORAL DE LA CARGA DE PRESIÓN EN LA SECCIÓN 0+250. ........................................................................................ 109.

(18) XVIII. ÍNDICE DE FOTOGRAFÍAS FOTOGRAFÍA 1: VISTA LATERAL DEL VERTEDERO DE EXCESOS .............. 12 FOTOGRAFÍA 2: OBRA DE TOMA DE LA PRESA MULACORRAL ................... 12 FOTOGRAFÍA 3: VISTA EN PLANTA DE LA PRESA Y OBRAS COMPLEMENTARIAS. ................................................................................. 13 FOTOGRAFÍA 4: TRATAMIENTO APLICADO AL ESTRIBO DERECHO............ 66 FOTOGRAFÍA 5: VISTA EN PLANTA DE LA PRESA DE LA ZONA DE INYECCIONES EN EL ESTRIBO IZQUIERDO ............................................. 67 FOTOGRAFÍA 6: PIEZÓMETROS UBICADOS EN LA ABSCISA 0+250............. 74 FOTOGRAFÍA 7: CINTA MÉTRICA PARA DETERMINACIÓN DEL NIVEL DEL AGUA ............................................................................................................ 74 FOTOGRAFÍA 8: LECTURA EN ASENTÓMETRO UBICADO EN LA ABSCISA 0+161 ............................................................................................................ 79 FOTOGRAFÍA 9: LECTURA DE LA CELDA DE CARGA EN LA GALERÍA DE LA PRESA MULACORRAL. ............................................................................... 81 FOTOGRAFÍA 10: MEDIDORES DE CAUDALES “V” DE LA PRESA MULACORRAL ............................................................................................. 83 FOTOGRAFÍA 11: MEDIDOR DE CRESTA ANCHA EN LA PRESA MULACORRAL ............................................................................................. 84.

(19) XIX. RESUMEN La presa Mulacorral ubicada en la provincia de Tungurahua, a 3860 m.s.n.m., forma parte de los vasos de regulación de la cuenca alta del Río Ambato concebida para aumentar el caudal de riego para el canal Ambato-Huachi-Pelileo, dotar de agua potable a la ciudad de Ambato, mantener el caudal ecológico mínimo permanente en el cauce del Río Ambato y la posterior generación de energía hidroeléctrica, hacen necesario que se garantice la seguridad de las obras en beneficio de los usuarios.. En este trabajo se realizó un estudio comparativo de las cargas piezométrica y de presión y caudales de infiltración medidos en campo con los obtenidos a través del programa GeoStudio 2007-SEEP/W, con el objeto de dar un diagnóstico del estado actual de la presa ya que la misma está expuesta a diferentes condiciones de permeabilidad y diferentes niveles de carga total debido a los niveles de operación variables del embalse.. También se realizó un análisis de los requerimientos que la presa Mulacorral debe cumplir para garantizar la seguridad hidráulica, referido a la erosión y a la sufusión, los mismos que son de suma importancia para que la presa trabaje eficientemente durante su vida útil..

(20) XX. ABSTRACT The MulacorralDam located at province of Tungurahua, forms part of the reservoirsbuilt to regulate water in the upper basin of the Ambato river,which was designed to increase the flow of the irrigation channel of the Ambato-HuachiPelileo project, provide drinking water to Ambato, maintain permanent minimum ecological flows in the riverbed of Ambato river, and the subsequent generation of hydroelectric power make it necessary to ensure safety of the works of the benefit to users.. This paper performed a comparative study of the piezometric head and infiltration flow measured in the field with those obtained through the program GeoStudio 2007-SEEP/W, with the aim of being able to diagnose the current state of the dam since it is exposed to different permeability conditions and different levels of total head due to varying operating levels of the reservoir.. We also performed an analysis of the Mulacorral Dam requirements that must meet to ensure hydraulic safety, with respectto erosion and suffusion;becausethey are critical for the efficient work of the dam..

(21) XXI. PRESENTACIÓN El presente proyecto de tesis constituye un estudio de la presa Mulacorral desde su diseño en lo referente a filtro y núcleo, y un posterior análisis de su monitoreo utilizando el programa GeoStudio 2007-SEEP/W. El trabajo inicia con una introducción de los tipos de presas de materiales sueltos, siguiendo con la descripción de los elementos que constituyen la presa Mulacorral y un análisis básico del flujo en medios porosos. En el análisis del diseño del filtro y el núcleo, se aplicaron los diferentes criterios de diseño desarrollados a lo largo de la historia del estudio de presas de materiales sueltos a la presa Mulacorral, para establecer posibles problemas de erosión y de inestabilidad interna (sufusión). A continuación se caracteriza la cimentación de la presa Mulacorral, señalando los ensayos realizados previos a la construcción y los cambios efectuados antes y durante la construcción. Además se incluye un acápite en la cual se detalla la instrumentación con la que cuenta actualmente la presa. Finalmente se realiza un análisis comparativo de las cargas piezométricas y caudales de infiltración, de los monitoreos diarios con los obtenidos utilizando el programa GeoStudio 2007-SEEP/W para establecer un diagnóstico de la situación actual de la presa, objeto de este proyecto de titulación..

(22) 1. CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN 1.1 GENERALIDADES. PRESAS DE MATERIALES SUELTOS De la definición de presa se desprende que estas son estructuras cuya tarea se fundamenta en la condición de que el agua que retienen se utilice con dos propósitos alternativos o simultáneos: ·. Elevar el nivel del agua para poder conducirla, y. ·. Formar un depósito que retenga los excedentes de la misma, para poder compensar luego los períodos de escasez, o para amortiguar (laminar) las crecidas.. Esa condición de producir un embalse, hace que el agua retenida ejerza un empuje de gran magnitud sobre la estructura, siendo ésta la mayor solicitación para la que debe diseñarse. Otras características básicas en el diseño de una presa son las presiones indeseadas dentro de la estructura provocadas por el agua que penetra en todos los poros, las que deben ser localizadas para diseñar la presa de manera que pueda resistirlas, y/o disipar el exceso de presión que esta condición genera, y/o buscar los mecanismos para que las partes de las obras que puedan ser dañadas resulten aisladas, protegidas o impermeabilizadas. Otra importante condición es la necesidad de lograr las premisas técnicas anteriormente enunciadas a un costo que permita la construcción económica de la obra, con esquemas factibles y aceptables para el mercado financiero. Esta búsqueda de alternativas económicas posibles, ha llevado en los últimos años a la incorporación de nuevos diseños y sistemas constructivos para las presas..

(23) 2. 1.2 PRESAS DE MATERIALES SUELTOS1 La presa, dique o represa, es la estructura de retención de las aguas y resiste un empuje. Debe ser por lo tanto, impermeable y estable, conjuntamente con su fundación y sus estribos. Las presas de materiales sueltos constituyen el tipo de construcción más común en el mundo (Bureau of Reclamation, 1982). Son presas a gravedad en las que materiales provistos por la naturaleza no sufren ningún proceso químico de transformación, siendo tratados y colocados mediante procedimientos de compactación propios de la mecánica de suelos. En su composición intervienen, piedras, gravas, arenas, limos y arcillas, siendo denominadas como presas de escollera cuando más del 50 % del material está compuesto por piedra y presas de tierra cuando son materiales de granulometrías más pequeñas. Las presas de materiales sueltos no soportan ser sobrepasadas por una crecida. Por ello es necesario, basándose en el conocimiento del comportamiento histórico del río, efectuar una predicción de la forma en que se deberá operar el vertedero de excesos, para evitar que en toda la vida de la obra no sea sobrepasada por alguna crecida. Las presas de tierra requieren de estructuras complementarias que sirvan de vertedores de exceso. La principal desventaja de una presa de tierra es que, si no tiene suficiente capacidad, el vertedor de excesos puede dañarse y aun destruirse por efecto erosivo del agua que llegue a rebasarla. También están sujetas a sufrir serios daños y aun a fallar debido a las perforaciones hechas por animales cavadores, a menos de que se tomen precauciones especiales por lo que se deben. realizar. inspecciones de. rutina. con. la. persona. encargada. auscultamiento de la misma.. 1. United States Bureau of Reclamation.(1982)Diseño de presas pequeñas, EEUU.. del.

(24) 3. 1.3 CLASIFICACIÓN DE PRESAS DE MATERIALES SUELTOS 1.3.1 PRESAS DE MATERIAL HOMOGÉNEO Estas presas están compuestas de un solo material (excluyendo a los espaldones). El material que constituye la presa debe ser suficientemente impermeable de modo que forme una barrera efectiva para el agua, y para estabilidad, los taludes deben ser relativamente tendidos. Para evitar la licuación, el talud aguas arriba debe ser relativamente tendido, si se prevén cambios rápidos de desembalses del vaso después de un largo almacenamiento.. El talud de. aguas abajo debe ser, en forma relativa, tendido para que sea suficientemente estable para resistir la licuación cuando se sature a un nivel elevado. En una sección completamente homogénea (figura 1) es inevitable que las filtraciones broten en el talud de aguas abajo, es por ello que no son muy recomendadas para presas de almacenamiento cuando el tiempo de permanencia del agua es considerable. Figura1: Presa completamente homogénea. Fuente: US BUREAU OF RECLAMATION, 1982. 1.3.2 PRESAS DE MATERIAL HOMOGÉNEO MODIFICADAS Aunque anteriormente era muy común el proyecto de presas de sección de material homogéneo, ésta se ha venido reemplazando por una sección homogénea modificada. Este tipo de presa está constituida por pequeñas cantidades de materiales permeables cuidadosamente colocados que controlan las filtraciones de manera.

(25) 4. que sus taludes pueden ser mucho más inclinados. El efecto de drenaje en el talón de aguas abajo en el terraplén se muestra en la figura 2. Pueden construirse talones de roca de tamaño considerable para drenaje, como se muestra en la parte (A) de la figura 2, o, si se posee materiales graduados es factible usar el filtro de drenaje presentado en la parte (B) de la figura 2. Figura2: Presa homogénea modificada. Fuente: US BUREAU OF RECLAMATION, 1982. Las presas homogéneas (o las homogéneas modificadas) son aplicables en lugares en donde hay facilidad para obtener suelo con poca variación en su permeabilidad, y donde los suelos de diferentes permeabilidades se pueden obtener sólo en pequeñas cantidades o a un costo mayor. 1.3.3 PRESAS NO HOMOGÉNEAS CON NÚCLEO Es el tipo más común de presas de tierra compactada. Esta consta de un núcleo central impermeable confinado por zonas de materiales considerablemente más permeables.. Las zonas permeables confinan, soportan y protegen el núcleo. impermeable; la zona permeable de aguas arriba proporciona estabilidad contra los rápidos desembalses; la zona permeable de aguas abajo actúa como dren para controlar el límite superior de filtración (figura 3). Para controlar con mayor eficiencia las filtraciones transversales y las producidas por los desembalses, la.

(26) 5. sección debe tener, en lo posible, una permeabilidad creciente de los extremos hacia los taludes. Las zonas permeables pueden ser de: arenas, cantos o rocas, o mezcla de estos materiales.. La anchura máxima de la zona impermeable se controlará con. respecto a su estabilidad y a las filtraciones y también con respecto a los materiales disponibles. Una presa de núcleo impermeable, de ancho moderado, compuesta de materiales resistentes, y provista de espaldones permeables, puede tener taludes exteriores relativamente inclinados, limitados solamente por la resistencia de la cimentación, la estabilidad del talud, y las consideraciones sobre su conservación. Figura 3: Presa No homogénea con núcleo central. Fuente: WWW.SCRIB.COM, 2008. 1.3.4 PRESAS CON CARA DE HORMIGÓN Este tipo de presa de tierra es aquella cuyo talud aguas arriba está revestido con hormigón para protegerse contra el efecto destructivo de las olas (figura 4), así como también para tomar medidas contra animales que realizan galerías. Su uso se ha limitado a presas pequeñas. Son numerosos los casos en la historia en los que se utilizaron revestimientos de este tipo, encontrando también un número de fallas tremendo. Sin embargo, la circunstancia de que algunas estructuras protegidas por revestimientos de hormigón han soportado la prueba del tiempo ha inducido a los ingenieros al uso de este tipo de construcción, a menudo sin referencias suficientes a registros de funcionamiento anteriores..

(27) 6. Los revestimientos de hormigón usados para la protección de los taludes deben prolongarse desde la corona de la presa hasta varios metrosabajo del nivel mínimo del agua.. Deben terminar en una berma y contra un cabezal de. hormigón, que debe prolongarse cuando menos 0.50 metros abajo del lado del lado inferior del revestimiento. Aunque los revestimientos de hormigón se hayan construido en bloques, el método preferido generalmente, que ha dado el mejor servicio, es hacer el revestimiento monolítico en el mayor grado posible, tomando todas las precauciones para evitar el acceso del agua y consecuente desarrollo de presiones hidrostáticas debajo del hormigón. Si no es posible hacer una construcción monolítica, las juntas de dilatación se deben mantener a un mínimo, y las juntas de construcción deben separarse tanto como sea posible. La losa debe estar reforzada en las dos direcciones. Figura 4: Presa con pantalla aguas arriba. Fuente: HUβL, 2009. 1.4 DESCRIPCIÓN DE LA OBRAS DE LA PRESA MULACORRAL2 1.4.1 CUENCA DEL PROYECTO El área del proyecto ocupa una pequeña parte de la Cuenca Alta del Río Ambato, dentro de la subcuenca de la quebrada Mulacorral, que a su vez constituye parte. 2. H.Consejo Provincial de Tungurahua y GEOCONSULT. (2006) Manual de operación, mantenimiento y auscultación de la Presa Mulacorral..

(28) 7. de la subzona noroccidental de la Cuenca Alta. La subcuenca de esta quebrada forma parte de los páramos orientales de la Cordillera Occidental y se extiende aproximadamente en dirección noreste-suroeste. El sitio de la Presa se ubica en la quebrada antes mencionada en la cota 3831 m.s.n.m., aproximadamente 15 km de la confluencia de los ríos Calamaca y Ambato, y sus coordenadas son: 78º 49’ 30” de longitud oeste y 1º 11’ 30¨ de latitud sur. 1.4.2 CLIMA El clima de la subcuenca se tipifica como “clima ecuatorial de alta montaña”. Gracias a su orientación posee un régimen de precipitaciones oriental, con lluvias del orden de 1000 a 1200mm al año (Hidroestudios, 1990). La temperatura media anual es de 4ºC, con máximas en abril y en noviembre, y mínima en julio. Las temperaturas máximas absolutas puntuales son de 18º C en febrero y noviembre; y las mínimas absolutas por debajo de los 0º C, con mayor probabilidad en junio, diciembre y febrero(Hidroestudios, 1990) 1.4.3 PROYECTO DE LA PRESA MULACORRAL La presa Mulacorral es parte del proyecto Vasos de Regulación de la Cuenca Alta del Río Ambato, cuyo objetivo es incrementar en 1m 3/s el caudal medio anual del Río Ambato a la altura de la bocatoma del canal Ambato-Huachi-Pelileo; lo que será aprovechado para cubrir el déficit del caudal de riego existente en dicho canal, aumentar la disponibilidad de caudales de agua potable para la ciudad de Ambato, mantener un caudal ecológico mínimo permanente en el cauce del Río Ambato para la dilución de los desechos en su paso frente a la ciudad, y también generar 7.000,00 Kw de energía hidroeléctrica. La presa Mulacorral aportará con un volumen de 2’861.987 m3, al cual se sumarán 4’500.000,00 m3 de volumen neto de regulación, de los tres sitios restantes: Chiquiurcu y Curiquingue en el Río Calamaca, y Abras en el Río Blanco..

(29) 8. 1.4.4 DISEÑO DE LA PRESA MULACORRAL La presa es un terraplén zonificado, construido con materiales sueltos disponibles en su mayor parte en los alrededores de la obra. La altura de la presa es de 32 metros, calculado desde la cota 3856 m.s.n.m. que corresponde a la corona, hasta la cota 3824 del nivel del estrato glacilacustre denso de cimentación.. A continuación se presenta una descripción de los. taludes. Tabla 1: Características de los taludes de la presa Mulacorral. Taludes. Inclinación. Exteriores. 1V:2H. Aguas. 1V:10H, bajo la cota 3842 m.s.n.m. y hasta el pie de la presa. Arriba. Aguas. 1V:2H, termina en la cota 3834 m.s.n.m. En esta se ubica una. Abajo. plataforma a manera de relleno estabilizador de material granular.. Fuente: GEOCONSULT, 2006. 1.4.5 ZONIFICACIÓN INTERNA DE LA PRESA 1.4.5.1 Núcleo Es de material impermeable con un talud de 3V:1H en el extremo aguas abajo y de 2V:1H en el talud de aguas arriba ubicado entre las cotas 3854.5 m.s.n.m. y 3842 m.s.n.m. desde esa cota el talud se tiende 1V:1.5H. Está constituido por estratos coluviales encontrados en el área de préstamo ubicado inmediatamente aguas abajo de la presa. El suelo para el núcleo impermeable de la presa proviene de los estratos coluviales localizados bajo el suelo de cobertura y la ceniza en la zona de.

(30) 9. préstamo definida. el diseño. El material está clasificado como grava limosa. relativamente bien graduada, con una tamaño máximo de 100mm y un porcentaje de finos de al menos 15%. Los ensayos de compactación y permeabilidad realizados en la fase de diseño aseguran la impermeabilidad del material. 1.4.5.2 Prolongación del núcleo. Esta prolongación es a manera de tamiz impermeable hasta el extremo de aguas arriba de la presa (figura 5) y que se extiende sobre los estribos hasta la cota de operación del embalse, con la finalidad de extender el camino de la infiltración y reducir los caudales. Su espesor es variable entre 6 y 2 metros en la zona de excavación más profunda y hasta la cota 3832 m.s.n.m.; sobre esa cota es de 2 metros. Figura 5: Zonificación interna de la presa Mulacorral. 1.4.5.3 Filtros Estos son de 3 metros de ancho que protegen al núcleo. En el espaldón de aguas abajo el filtro inclinado se conecta a un manto de filtro de un metro de espesor, colocado sobre la cimentación en el centro del valle y hasta la cota 3836 m.s.n.m. en los estribos (figura 5). El espaldón de agua arriba está protegido por el filtro desde la corona hasta la cota 3842 m.s.n.m., para evitar la migración de finos en el caso de un vaciado rápido. Bajo la cota 3842 m.s.n.m. el núcleo está protegido.

(31) 10. por el relleno estabilizador colocado sobre la presa hasta esa cota. El material gravo arenoso proviene de las fuente a lo largo del río Ambato, fuera del área de la presa. La granulometría de los filtros de la presa corresponde a una grava arenosa, con un tamaño máximo de 50mm, entre 35 y 50% de arena y libre de finos que pasan la malla #200. En la etapa de construcción se permitió hasta el 3% de finos. 1.4.5.4 Espaldones o Escolleras Están constituidos por fragmentos rocosos explotados de la misma zona de préstamo. El diseño contempla que en general la granulometría de los fragmentos aumentará hacia los espaldones, utilizando los residuos finos junto a los filtros y las rocas con dimensiones mayores de 400 mm hacia los taludes. 1.4.5.5 Relleno Estabilizador La sección de la presa incluye un relleno estabilizador sobre el talud aguas arriba (figura 5), que se extiende desde la corona de la ataguía de desvío en la cota 3836 m.s.n.m. hasta la cota 3842 m.s.n.m. en el talud de la presa. El relleno está constituido por materiales inorgánicos no clasificados provenientes de las excavaciones. De igual manera incluye un relleno estabilizador sobre el talud aguas abajo, que se extiende desde el extremo de las excavaciones para la cimentación en el centro del valle, hasta la cota 3834 m.s.n.m. Está constituido por material granular grueso y actúa como dren de pie. 1.4.5.6 Trinchera Trinchera excavada en los estribos a lo largo del eje de la presa, de 6 metros de ancho al fondo y taludes laterales 1V:1H, rellenadas con material del núcleo, con la finalidad de formar una cortina impermeable y aislar los contactos permeables entre depósitos coluviales y glaciares; medida que fue incorporada durante la construcción. Su profundidad llegó a los 11 metros en la zona más profunda. En la margen izquierda, esta medida se complementó con una cortina de inyecciones de tres hileras en la zona de cimentación en roca volcánica, entre la cotas 3835 y 3856 m.s.n.m..

(32) 11. 1.4.5.7 Medidores de caudal Al pie de la presa se ubican unos medidores de caudal en V, de 90º, a los cuales desfogan las aguas de flujos artesianos, que son medidos independientemente, y también los flujos de filtración a través de la presa y los estribos, que son medidos en un medidor conjunto. 1.4.6 EMBALSE El embalse formado por la presa Mulacorral tiene una capacidad de 2’861.987 m3 cuando su nivel alcanza la cota 3854.5 m.s.n.m. que es la máxima normal de operación, de acuerdo con los resultados del levantamiento topográfico realizado. La superficie calculada para el espejo de agua del embalse llega a 35.2 ha, a la cota 3854.5 m.s.n.m. 1.4.7 OBRAS COMPLEMENTARIAS 1.4.7.1 Vertedero de Excesos El caudal de diseño del vertedero es de 1.54 m3/s. La estructura del vertedero se ubica en el estribo derecho de la presa (fotografía 1), es del tipo de vertedero lateral, su longitud es de 5 metros. El labio de vertido está localizado en la cota 3854.5 m.s.n.m. El agua se evacua por un canal recolector, con una sección de control antes de conectarse a la rápida que es un cajón rectangular de 1 metro de ancho, que se ajusta al perfil del terreno, con gradientes de hasta 22%. Al final de la rápida se ubica un cuenco disipador de energía de 10.8 metros de longitud, que actúa en base a resalto hidráulico..

(33) 12. Fotografía 1: Vista lateral del vertedero de excesos. Fuente: H. Consejo Provincial de Tungurahua, 2007.. 1.4.7.2 Estructuras de desvío y toma La obra de toma consiste de una estructura en torre, de forma hexagonal, apoyada sobre el tramo inicial del conducto de desvío (fotografía 2). El umbral de la obra se localiza en la cota 3836 m.s.n.m. que corresponde al nivel de sedimentación del embalse en 50 años y define al nivel mínimo de operación. Fotografía 2: Obra de toma de la presa Mulacorral. Fuente: H. Consejo Provincial de Tungurahua, 2007.. La estructura de toma está conectada a la galería de desvío (conducto de hormigón armado de 199 metros de longitud) que sirvió para el desvío del río.

(34) 13. durante la construcción y en cuyo interior aloja a la tubería de acero de 760 mm de diámetro y a las válvulas para la operación de descarga (fotografía 3). La solera del conducto se localiza entre las cotas 3833 m.s.n.m. y 3831 m.s.n.m. Al final del conducto en el extremo de aguas abajo, en la margen izquierda, se ubica un cuenco disipador de energía, previo a la descarga en el río. Se dispone de dos válvulas de mariposa con operadores manuales a sinfín y corona. La primera se ubica hacia el extremo de aguas arriba de la galería y la segunda a la salida del conducto, aguas arriba del codo de 45° que dirige la descarga hacia el interior del cuenco disipador. Para la operación de la toma se ha previsto que la válvula de aguas arriba (de guardia) permanezca totalmente abierta en situaciones normales y que el control del caudal de salida se realice mediante la operación de la válvula de aguas abajo (de control). La válvula de aguas arriba será operada únicamente para proceder a la inspección, mantenimiento o reemplazo de la válvula de control. El caudal máximo de salida es de 4.14 m 3/s con el nivel máximo de operación y el caudal mínimo es de alrededor de 2.0 m3/s, con las válvulas totalmente abiertas. El cuenco disipador tiene 1 metro de ancho, 12 metros de largo y 3.45 metros de profundidad. Fotografía 3: Vista en planta de la presa y obras complementarias.. Fuente: H. Consejo Provincial de Tungurahua, 2007.

(35) 14. 1.4.7.3 Obras de derivación y trasvase El embalse de Mulacorral recibirá el aporte de trasvase de los caudales naturales de las quebradas El Sombrero y El Tingo, en las cuales se han construido obras de captación. La conducción del agua desde la quebrada El Sombrero a la quebrada El Tingo es en tubería PVC de pared exterior estructurada e interior lisa, de 700 mm de diámetro con una capacidad de 400 l/s, a lo largo de 7.7 Km de longitud, utilizando la plataforma en un tramo y otro en sifón. Desde la quebrada El Tingo hasta el embalse Mulacorral, la conducción va a lo largo de la plataforma, en tubería de PVC de pared exterior estructurada e interior lisa, de 900 mm de diámetro, con una capacidad de 750 l/s y 2.7 Km de longitud, para los caudales reunidos de las dos quebradas.. 1.5 ANÁLISIS BÁSICO DEL FLUJO EN MEDIOS POROSOS Las bases para un análisis racional de los problemas prácticos de la infiltración del agua a través de los suelos fueron establecidos por Henry Darcy. Posteriormente a Darcy, el siguiente paso fundamental en el avance del conocimiento fue dado alrededor de 1880 por Ph. Forchheimer, quien demostró que la función carga hidráulica que gobierna un flujo en un medio poroso es una función armónica, es decir que satisface la Ley de Laplace.. El propio. Forchheimer desarrolló al principio del siglo XXI, las bases para el método gráfico conocido como redes de flujo, que sigue siendo un método sencillo para la resolución práctica de los problemas diarios que involucre el flujo de agua en medios porosos3.. 3. Juarez, Badillo y Rico, Rodríguez. (1994)Mecánica de Suelos- Flujo de agua en suelos, México: Limusa.

(36) 15. 1.5.1 LEY DE DARCY4. Figura6: Experimento de Darcy. Fuente: ESPINOZA, 2004.. La Ley de Darcy describe, con base en un experimento de laboratorio, las características del movimiento del agua a través de un medio poroso. La expresión matemática de la Ley de Darcy es la siguiente:. Donde: = gasto, descarga o caudal en m3/s. = longitud en metros de la muestra =. constante. de. proporcionalidad. conocida. como. coeficiente. de. conductividad hidráulica variable en función del material de la muestra, en cm/s. = área de la sección transversal de la muestra, en cm2.. = altura, sobre el plano de referencia que alcanza el agua en un tubo. colocado a la entrada de la capa filtrante.. 4. Galárraga, Remigio. (2010) Apuntes de Hidráulica Subterránea. Quito.

(37) 16. = altura, sobre el plano de referencia que alcanza el agua en un tubo. colocado a la salida de la capa filtrante.. El gradiente hidráulico es una cantidad adimensional, es la diferencia de carga hidráulica entre dos puntos respectos a la distancia de viaje entre esos puntos. ݅ൌ. ௛ೌ ି௛್ ௅. ൌ. ௱௛ ௅. (1.2). 1.5.2 VARIACIÓN DE LA CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA5 La conductividad hidráulica es la constante de proporcionalidad de la Ley de Darcy. Este coeficiente es controlado por la relación de vacíos y la estructura del suelo, depende de la posición y la dirección de medición (figura 7).. Homogeneidad y Heterogeneidad Un suelo es homogéneo si el coeficiente de conductividad hidráulica es independiente de la localización, caso contrario es heterogéneo.. Isotropía y Anisotropía Un suelo es isotrópico, si el coeficiente de conductividad hidráulica es independiente de la dirección de medición, caso contrario es anisotrópico. A continuación se presenta una figura mostrando la variación de la conductividad hidráulica.. 5. Galárraga, Remigio. (2010) Apuntes de Hidráulica Subterránea. Quito..

(38) 17. Figura 7: Variación de la conductividad hidráulica. Fuente: LAKSHMI, 2007. 1.5.3 RED DE FLUJO6 La red de flujo es la combinación dibujada de cierta manera entre las líneas de flujo y las líneas equipotenciales (figura 8), de modo que se mantenga una red de cuadrados curvilíneos. Figura 8: Red de flujo en un dominio rectangular. Fuente: LAKSHMI, 2007. Las líneas de flujo son aquellas que indican el recorrido de una partícula de agua a través de un medio, y las líneas equipotenciales son aquellas que tienen igual carga hidráulica (potencial).. 6. Galárraga, Remigio. (2010) Apuntes de Hidráulica Subterránea. Quito..

(39) 18. CAPÍTULO 2 ANÁLISIS BÁSICO SOBRE LAS CONDICIONES DE LA SEGURIDAD HIDRÁULICA EN LA PRESA MULACORRAL. 2.1 GENERALIDADES La seguridad de la presa ha sido definida como el proceso desarrollado para eliminar cualquier condición especial o anormal que pudiera ser la causa para que se produzca el deterioro o la destrucción de la obra. En las presas de materiales sueltos es importante realizar un análisis de los criterios geométricos, la granulometría del suelo y del comportamiento del agua a través del medio poroso (suelo) en los diferentes elementos que conforman la presa tales como filtros, zonas de transición, núcleo y espaldones.. En este. capítulo se pretende establecer los criterios hidráulicos y geométricos para la evaluación de la seguridad hidráulica en presas de tierra pequeñas y su aplicación en la presa Mulacorral, motivo de este proyecto de tesis; para ello se inicia con una descripción de los elementos que conforman la presa.. 2.2 DESCRIPCIÓN. DE. LOS. ELEMENTOS. DE. LA. PRESA. MULACORRAL7 La presa está construida en su mayor parte con materiales existentes en la margen izquierda cerca de la presa, el material del núcleo y de los filtros fue importado de la mina Aguas Calientes ubicada a 15 Km del sitio.. 7. HIDROESTUDIOS.(1990) Informe Factibilidad de la Presa Mulacorral. Ambato.

(40) 19. 2.2.1 NÚCLEO Para el núcleo se utilizó el material de la mina de Llangahua por sus buenas características de permeabilidad, resistencia y humedad natural lo que permitió la colocación en el terraplén sin un tratamiento previo en la zona de préstamo. Mediante ensayos triaxiales realizados se determinó que la muestra compactada tenía una humedad 2.6% mayor que la humedad óptima y 97% de la densidad obtenida en el ensayo de compactación estándar. Los parámetros adoptados para el material del núcleo son: Densidad seca • 1.560 (t/m3) Densidad húmeda • 1.970 (t/m3) Humedad • 26.6% Cohesión C' • 0. Ángulo de fricción ˗' • 24°. Fuente: HIDROESTUDIOS, 1990. 2.2.2 ESPALDONES O ESCOLLERAS Se utilizaron materiales sueltos y estratos rocosos inferiores existentes en la margen izquierda, cerca de la presa. Los espaldones de la presa se construyeron de manera que hacia el centro de la presa, rodeando al núcleo, se colocaron las gravas limosas, mientras que el material con fricciones gruesas cada vez mayores se coloquen hacia el exterior y, finalmente, el material rocoso forme los taludes. Esta selección se dará de manera natural colocando hacia el centro el material disponible a menor.

(41) 20. profundidad en la zona de préstamo y hacia los taludes los fragmentos rocosos más profundos, explotados con explosivos. En esta fase se ha analizado únicamente la fricción fina del estrato menos profundo del coluvial y se han determinado los siguientes factores: C’ = 0 y ф = 24°. Debido a que la fricción fina probada representa solo un 40% del material, la fricción gruesa constituida por gravas de buena calidad será la que determine la resistencia al corte del coluvial. Hacia los taludes el espaldón estará constituido por material de la escollera de buena calidad. Su resistencia al corte es superior a los 40°. Para efectos de esta fase se ha asumido un valor intermedio de resistencia para todo el espaldón y se han adoptado los valores de densidad de la muestra utilizada en el ensayo triaxial para los materiales en la zona interior de los espaldones y valores medios de escollera para la zona exterior de la presa. Los parámetros resultantes son: Densidad seca del coluvial • 1.710 (t/m3) Densidad húmeda del coluvial • 2.060 (t/m3) Humedad • 20.7% Densidad seca de la escollera • 1.950 (t/m3) Densidad húmeda de la escollera • 2.100 (t/m3) Cohesión del espaldón C' •0 Ángulo de fricción del espaldón Φ. • 35° Fuente: HIDROESTUDIOS, 1990.

(42) 21. El material que cumple con estos requerimientos pertenece al Banco de préstamo. 2.2.3 FILTROS La necesidad de filtros seleccionados está dada por la localización de la presa en una zona de alta sismicidad, que hace imprescindible que el núcleo delgado esté protegido por materiales que no desarrollen ni mantenga grietas en el caso del sismo y pueda llevar flujos provenientes de grietas que puedan formarse en el núcleo. Las fuentes de arena y grava en el Río Ambato (minas de Aguas Calientes) o de arenas de las minas de El Arenal del Chimborazo satisfacen los requerimientos de este material. El material para filtros se extrajo de las minas de Aguas Calientes. En la figura 9 se muestran las curvas granulométricas del núcleo y el filtro de la presa Mulacorral.. Figura 9: Granulometría del filtro y núcleo de la presa Mulacorral. Fuente: HIDROESTUDIOS, 1990..

(43) 22. 2.3 REQUERIMIENTOS GENERALES PARA GARANTIZAR LA SEGURIDAD HIDRÁULICA 2.3.1 FILTROS Los filtros en presas y cimentaciones son requeridos para realizar dos funciones básicas: a) Prevenir la erosión de las partículas de suelo del material base. b) Permitir el drenaje del agua de infiltración. Los filtros son usualmente especificados en términos de la distribución del tamaño de las partículas, y requieren ser los suficientemente finos, relativo al tamaño de las partículas del material base para cumplir la función a), mientras debe ser lo suficientemente grueso para cumplir con la función b); es decir hay conflicto entre los requerimientos.. 2.3.1.1 Condiciones de flujo actuantes en filtros. Según Kutzner (1996) los filtros pueden clasificarse en: ·. Filtro crítico, filtro en la transición hacia el material impermeable - a. ·. Filtros de protección, filtros de retención del material fino – b. ·. Filtros gruesos, filtros entre la matriz y el material de protección – c. ·. Filtros perfectos, filtros que retienen las partículas muy finas de arcilla.. La figura 10 ilustra las condiciones de flujo entre el filtro y el material base..

(44) 23. Figura 10: Condiciones de flujo que actúan sobre el Filtro. Fuente: FELL, MACGREGOR, STAPLEDON Y BELL, 2005. N1: Flujo normal a la interface con altos gradientes I N2: Flujo normal a la interface con pequeños gradientes I P: Flujo paralelo a la interface Los esfuerzos erosivos son mayores en el caso de N1, y menores para N2 pues el flujo simplemente está drenando desde el suelo a protegerse (material base) bajo la acción de la gravedad, y no bajo la carga de agua del reservorio. La acción erosiva para el caso de P es diferente, y es menos severa que para N1, para un resultado menos conservador (por ejemplo, filtros gruesos) puede en ocasiones ser usado N2 y P. El caso N1 se utiliza para el análisis de filtros críticos. 2.3.2 ZONAS DE TRANSICIÓN El objetivo técnico de las zonas de transición o filtros inversos es el de compensar las diferentes tensiones y deformaciones entre las zonas del cuerpo de la presa, como por ejemplo entre el núcleo y las zonas de soporte (espaldones). Este objetivo se puede alcanzar con la ayuda de las diferentes propiedades mecánicas de los materiales utilizados. La zona óptima de estas propiedades se encuentra entre aquellas correspondientes al núcleo y aquellas de los espaldones..

(45) 24. De esto se puede determinar que el diseño de las zonas de transición deben cumplir los siguientes requerimientos8: ·. La permeabilidad de la zona de transición debe ser mayor que la permeabilidad del suelo a proteger (material base).. ·. Debe proteger de cualquier tipo de sufusión mecánica, no colmatación por partículas removidas por el agua subterránea (aún si la remoción es aceptada si esta no interfiere con la operación normal de la presa).. ·. Prevenir la penetración del material base en el filtro, y del material del filtro en el drenaje.. Los suelos menos cohesivos naturales (arena, grava, cantos rodados) o artificiales (bolones, escoria clasificada) son los materiales usados generalmente en las zonas de transición. En la figura 11 se muestra, a manera de ejemplo, los potenciales daños que pueden presentarse por los diferentes asentamientos entre el núcleo y los espaldones. Figura 11: Fisuras (grietas) internas y paralelas al eje a causa de asentamientos diferenciales. Fuente: SHERARD ET AL. 1968; FELL, MACGREGOR, STAPLEDON y BILL, 2005.. 2.3.3 REQUISITOS PARA FILTROS Para cumplir con las funciones mencionadas anteriormente se han establecidos diferentes requisitos (USDI):. 8. Goldin, A.L. y Rasskazov L.N. (1987) Design of Earth Dams.Moscow.

(46) 25. ·. El material del filtro debe ser más permeable que el del material base, pues es necesario no desarrollar presiones hidráulicas que puedan perturbar a los filtros u otras estructuras adyacentes.. ·. Los vacíos del material del filtro en sitio deben ser suficientemente pequeños para prevenir el taponamiento del filtro con material base.. ·. La capa del material protector debe ser suficientemente gruesa para proporcionar una buena distribución de todos los tamaños de partículas a lo largo del filtro y proveer un adecuado aislamiento donde existe posibles acciones de congelamiento.. ·. Las partículas del material del filtro deben evitar moverse a los tubos de drenaje usando perforaciones o ranuras suficientemente pequeñas.. Otros requisitos fueron establecidos por ICOLD en 19949: ·. Los materiales del filtro no se deben desagregar durante el procesamiento, manejo, ubicación en sitio y compactación.. ·. Los filtros no deben cambiar su distribución granulométrica y no deben separarse durante su procesamiento, manejo, ubicación en sitio, tendido y compactación; o reducir con el tiempo durante el descongelamiento o el flujo de filtración.. ·. Los materiales de los filtros no deben tener cohesión ni aparente ni real o la capacidad de cementarse por causas físicas, químicas o biológicas.. ·. El material del filtro debe ser internamente estable.. ·. Los filtros localizados junto al núcleo de presas de tierra deben tener la capacidad de controlar y sellar fugas del núcleo.. 9. FEMA (2000) US Dam Safety Programm Seepage through embankments research needs workshop- Internal erosion and piping process Denver.

(47) 26. 2.3.3.1 Distribución granulométrica El tamaño máximo del material y la mezcla cuidadosa de los diferentes tamaños son requerimientos muy importantes en el caso de diseño de filtros. Las principales características que deben mantenerse en la mezcla de filtros de arena y grava son10: ·. Distribución de tamaños relativamente amplia para material con tamaño mayor a 75 mm.. ·. Porcentaje muy pequeño, menos del 40%, de tamaños de material de arena y más finos.. ·. Evitar el transporte inadecuado y el personal no entrenado, sin experiencia (volteo o descarga directa desde la volqueta, descarga desde una altura excesiva, insuficiente mezcla- compactación por capas).. Los filtros en contacto con el núcleo deben presentar (Ripley, 1986): ·. Un tamaño máximo del material de 19 mm. ·. No menos del 60% del material de tamaño de 4,75 mm. ·. No más del 2% del material fino con tamaño 0,075 mm. 2.3.3.2 Permeabilidad El filtro debe presentar una permeabilidad suficiente, de tal manera que el agua de filtración pueda fluir, sin que se presente un descenso muy grande de la presión de poro. Esto se consigue con el criterio de filtros D 15/d15> 4 ó5. La permeabilidad del filtro debe ser 15 a 20 veces más grande que la del material base. Para esto se requiere que la porción de material fino se reduzca al mínimo.. 10. FEMA (2000) US Dam Safety Programm Seepage through embankments research needs workshop- Internal erosion and piping process Denver.

(48) 27. 2.3.3.3 Requerimiento hidráulico11 Las capas de filtros necesarias en el cuerpo de la presa se encuentran sometidas a cargas diferentes por el flujo del agua de filtración. En la figura 12se muestran las condiciones del flujo que pueden aparecer entre el material base y el filtro, entre las capas de filtros A y D así como en las superficies de contacto a y b. La corriente o flujo N1, que fluye normal a la transición entre filtro y material base, puede potencialmente mostrar el gradiente hidráulico máximo l, y por lo tanto representa la mayor carga sobre el material sólido o suelo. Figura 12: Condiciones de flujo que actúan sobre el Filtro. Fuente: FELL, MACGREGOR, STAPLEDON y BELL, 2005. Los filtros A deben ser considerados los más críticos respecto al desarrollo de la erosión, dado que un daño de las capas de este filtro, un debilitamiento o una construcción inapropiada del filtro, con una enorme probabilidad, pueden originar o llevar a la presencia de tubos de erosión, los mismos que darán paso al colapso de la presa. La elaboración de estos filtros debe ser de tal modo que no presenten erosión jamás (Filtros sin erosión). Los filtros tipo B deben ser considerados como críticos respecto de su capacidad o eficiencia. Estos se encuentran en la dirección. 11. FEMA (2000) US Dam Safety Programm Seepage through embankments research needs workshop- Internal erosion and piping process Denver ..

(49) 28. del flujo N2 y pueden responder a condiciones de diseño menores o estándares de construcción bajos. Durante la operación del embalse varía la dirección del flujo de filtración (dirección del flujo N2) dependiendo si se trata de un vaciado programado del embalse o de un vaciado rápido; de tal manera que se debe prever un filtro (filtro C) para toda la altura de la fluctuación de la superficie libre en la superficie de aguas arriba del núcleo y evitar así la erosión. La dirección de flujo P es paralela a las superficies límites o de contacto entre capas. Como ejemplo se mencionan aquí el flujo inferior o por debajo de la estructura o el flujo del agua de infiltración sobre la capa superior o cobertura del talud. Los más elevados requerimientos o requisitos para la mezcla y transporte de los materiales necesarios para un filtro aparecen para aquellos filtros (N 1) que están sujetos a las cargas hidráulicas más grandes. Por elcontrario, las capas de los filtros que están sujetos a las direcciones de flujo N2 y P, están sujetas a requerimientos menos graves y pueden ser construidos con distribuciones granulométricas menos exigentes.. 2.4 MECANISMOS DE FALLA La falla puede ocurrir por cuatro tipos de mecanismos, que se presentan uno tras otro. A cada uno de estos fenómenos se pueden vincular una o más deformaciones del suelo, originadas por condiciones hidrodinámicas. ·. Inicio (initiation). ·. Desarrollo (continuation). ·. Progresión / Incremento (progression). ·. Colapso / Falla (breach/failure).

(50) 29. 2.4.1 DEFORMACIÓN HIDRODINÁMICA DEL SUELO 2.4.1.1 Sufusión o inestabilidad interna La sufusión es un proceso de erosión interna que implica la erosión selectiva de partículas finas de la matriz de un suelo formado por partículas gruesas. Las partículas finas se eliminan a través de los porosentre las partículas más grandes por el flujo de filtración, dejando atrás un esqueleto del suelo intacto formado por las partículas más gruesas. Los suelos que son susceptibles a la sufusión son internamente inestables. A continuación se presenta la figura 13, que muestra la distribución granulométrica de los suelos susceptibles a la sufusión12.. Figura 13: Tipos de granulometría de suelo internamente inestable y susceptible a la sufusión. Fuente: FOSTER y FELL, 1999. 12. Wany Fell. (2004)Experimental Investigation of Internal Instability of Soils in Embankment Dams and their foundationsSydney: University of New South Wales, School of Civil and Environmental Engineering..