Análisis dinámico de presas de tierra en Colombia

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(1)Análisis Dinámico de Presas de Tierra en Colombia. por Silvana Montoya Noguera. Asesor Prof. Arcesio Lizcano Peláez. Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental 2011.

(2) Contenido 1. Generalidades sobre presas. 2. 1.1. Presas en Colombia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2. 1.2. Generalidades sobre presas de tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5. 1.3. Diseño de la presa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5. 1.3.1. Parámetros generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 6. 1.3.2. Características principales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 6. 1.4. Construcción de la presa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7. 1.4.1. Fundación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7. 1.4.2. Préstamos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7. 1.4.3. Colocación de llenos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7. 2. Presa Riogrande II. 9. 2.1. Datos Técnicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 10. 2.2. Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11. 2.2.1. Actualizaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12. 2.3. Localización general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12. 2.4. Geología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15. 2.5. Geotecnia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15. 2.5.1. Material de préstamo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 20. 2.6. Sismología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22. 2.7. Hidrología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23. 2.8. Instrumentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 24. 2.9. Equipos electromecánicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25. 2.10. Diseño de la presa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 26. 3. Modelo de la presa. 29. 3.1. Geometría de la presa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29. 3.1.1. Declaración de nodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 30. 3.1.2. Declaración de elementos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 32. 3.1.3. Declaración de superficie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33. I.

(3) CONTENIDO. ICIV 201110 24. 3.2. Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34. 3.2.1. Comportamiento elástico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34. 3.2.2. Parámetros del comportamiento elástico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36. 4. Comportamiento del modelo. 40. 4.1. Condiciones iniciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 40. 4.1.1. Condiciones de frontera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 41. 4.2. Pasos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 42. 4.2.1. Parámetros del paso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 42. 4.3. Paso 1. Carga gravitacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43. 4.4. Paso 2. Presión Hidrostática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43. 4.5. Paso 3. Análisis Dinámico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 44. 4.5.1. Interacción dinámica agua-estructura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45. 4.6. Análisis en Abaqus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 46. 5. Análisis del comportamiento. 47. 5.1. Análisis estático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 47. 5.2. Análisis dinámico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49. II.

(4) Índice de figuras 2.1. Presa de Riogrande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9. 2.2. Ubicación del Proyecto [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13. 2.3. Ubicación General [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 14. 2.4. Mapa geológico [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 16. 2.5. Mapa geológico regional [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17. 2.6. Carta de plasticidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 19. 2.7. Curva granulométrica -Margen derecha de la fundación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 19. 2.8. Curva granulométrica -Margen izquierda de la fundación . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 20. 2.9. Trayectoria de esfuerzos efectivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 20. 2.10. Granulometría del material de préstamo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21. 2.11. Carta de plasticidad material de préstamo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21. 2.12. Proctor estándar para el material de préstamo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22. 2.13. Mapa de amenaza sísmica en el departamento de Antioquia . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23. 2.14. Mediciones de piezómetros en la sección central de la presa. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25. 2.15. Ubicación de piezómetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25. 2.16. Planta de la presa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27. 2.17. Sección principal de la presa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28. 3.1. Geometría del modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 30. 3.2. Malla de elementos finitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34. 3.3. Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 39. 4.1. Aceleración del sismo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 42. 5.1. Distribución de esfuerzos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 47. 5.2. Distribución de deformaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 48. 5.3. Eje central de la presa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 48. 5.4. Distribuciones en el eje central . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49. 5.5. Distribución de Esfuerzos durante el sismo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50. 5.6. Distribución de Esfuerzos en el eje central . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 51. III.

(5) ÍNDICE DE FIGURAS. ICIV 201110 24. 5.7. Interacción agua-estructura en el eje central . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 52. 5.8. Interacción agua-estructura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 53. IV.

(6) Índice de tablas 1.1. Presas en Colombia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3. 1.2. Presas de tierra en Colombia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4. 2.1. Resultados de ensayos en la roca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18. 2.2. Instrumentos en la presa Ríogrande II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 24. 3.1. Propiedades Mecánicas de la Roca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36. 3.2. Propiedades Mecánicas de la Roca Fisurada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36. 3.3. Propiedades Mecánicas de la arena limosa SM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36. 3.4. Propiedades Mecánicas de la arena bien graduada con grava SW . . . . . . . . . . . . . . .. 36. 3.5. Propiedades Mecánicas de la arena bien graduada SW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37. 3.6. Propiedades Mecánicas de la grava arenosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37. V.

(7) Resumen. El presente trabajo de grado, tuvo como objetivo principal el análisis del comportamiento de las presas de tierra en Colombia. A partir de la implementación de elementos finitos y su modelización en Abaqus, se revisó la interacción presa-agua para situaciones dinámicas. Se realizó una recopilación de la información de presas en Colombia, y se identificaron las presas de tierra de mayor importancia social y económica para el país. Se tomó la presa Riogrande II, en Antioquia, para la implementación del modelo. Se recopiló la información principal de la presa como las características geométricas, los materiales, ensayos e instrumentación. Posteriormente, se elaboró el modelo de la presa en elementos finitos. Se modelaron todos los componentes principales de la sección correspondiente al eje central de la presa. Y se seleccionaron registros sísmicos típicos para el área de la presa considerando la amenaza sísmica. Finalmente se realizó la simulación en Abaqus y se compararon los resultados. Palabras claves: presas de tierra, interacción agua-estructura, vulnerabilidad sísmica, elementos finitos..

(8) Introducción Las hidroeléctricas son estructuras de primera necesidad ya que son imprescindibles en caso de un sismo de alta magnitud. Más del 60 % de la energía total del país proviene de estructuras hidroeléctricas. Y se espera que con los nuevos proyectos en desarrollo aumente al 80 %. En caso de una emergencia, el impacto que causaría la falla de una hidroeléctrica sería de gran importancia: las pérdidas humanas, ambientales y económicas se sumarían a la pérdida en servicios de agua y energía, vitales en situaciones de emergencia. Países como México, Argentina y EE.UU. entre otros, han desarrollado una serie de estudios en torno a la revisión de la seguridad sísmica de presas. El reconocimiento de las fallas de diseño a llevado a ejecutar obras de refuerzo para preparar estructuras de tal importancia a las solicitaciones sísmicas esperadas. La actividad sísmica se ha reactivado en forma significativa a lo largo de todo el globo terrestre en los últimos años. Sólo en el 2011, según el centro de reconocimiento de Estados Unidos (USGS), se han presentado más de 8 terremotos de magnitud mayor de 7. Ejemplos de esto son los sismos de Japón (Magnitud: 9.0, Fecha: 11-03-11) y el de Chile (Magnitud: 7.1, Fecha: 02-01-11). Los diseños sismo-resistentes han mostrado ser una buena práctica para defender las estructuras. Prueba de ello fueron los edificios en Japón y Chile luego del movimiento telúrico. La vulnerabilidad sísmica es la susceptibilidad de sufrir daños estructurales debido a solicitaciones sísmicas. Ésta depende de la geometría, los materiales, la fundación y la ubicación de la estructura. Y su análisis debe considerar todos estos parámetros para sismos de evaluación de seguridad (Safety Evaluation Earthquake, SEE) y no sólo sismos de operación normal (Operating Basis Earthquake, OBE)[12]. Asimismo debe considerar la interacción suelo-presa-agua y la modelización del suelo lo más cercana posible a la real. Este trabajo forma parte de la iniciativa del grupo de geotecnia de la Universidad de los Andes de centrar la atención en aquellas estructuras de gran importancia. Identificar la vulnerabilidad sísmica a la que están expuestas las presas en Colombia para generar alternativas y medidas de remediación y refuerzo de estas estructuras.. 1.

(9) Capítulo 1. Generalidades sobre presas En este capítulo se presenta el tema de presas. La recopilación de las presas en Colombia y en especial de las presas de tierra fue de vital importancia para analizar los factores de selección de la presa con la cual se trabajó para el presente proyecto de grado. Asimismo, la amabilidad en el suministro de la información por parte de las Empresas Públicas de Medellín logró finalmente la escogencia de la presa puesto que los valores de entrada son de gran importancia para lograr los objetivos propuestos.. 1.1.. Presas en Colombia. Colombia se ha destacado por su participación en los proyectos de infraestructura de presas a lo largo del país. En él se encuentran las presas de escollera con núcleo impermeable más altas de Sur América: Chivor y Guavio con 237 m y 246 m respectivamente. Siendo esta última la tercera presa más alta del mundo. Le sigue a ésta, la presa La Esmeralda también en Colombia. Asimismo, contamos con la presa más alta del mundo en concreto compactado (Miel I, 188m) [9]. En 1928, la Ley 113 declaró la explotación de energía hidroeléctrica de interés público en Colombia. Luego de casi un siglo, las políticas de la nación giran en torno a fuentes de energía renovables. La Ley 697 de 2001, promueve el uso eficiente y racional de energía y las energías alternas. Esta ley, contempla el estímulo a la educación e investigación en fuentes de energía renovable (FER)[5]. A continuación se muestra una recopilación de los datos principales de las 20 presas de mayor altura en Colombia. Se agradece especialmente al ingeniero Jesus María Sierra por su aporte en este campo y su gran interés de recopilar esta información. De las 89 presas en la investigación de Sierra(2009), 50 son de tierra. Las 20 presas de tierra de mayor altura se muestran en la tabla siguiente.. 2.

(10) Salvajina. Porce III Alto Anchicaya Chuza (Golillas) Porce II Calima I. 4. 5 6. 3 Anchicaya. 1988. 1952. 1991 1952. 1984 1965. 15 Río Grande II 16 Anchicaya. 17 San Rafael 18 Sisga. 19 Río Grande I 20 Miraflores. Río Grande Tenche. Teusaca Sisga. Guatape Nare GuatapeNare Río Grande. 1982 1985 1987. 12 Punchina 13 San Lorenzo 14 Playas. Prado Magdalena. Porce Calima. Chuza. Porce Anchicaya. Cauca. Sogamoso. Guavio Bata. Cuenca. 1971 1984. 2001 1965. 1978. 2010 1974. 1985. 2014*. Año Term 1989 1975. 10 Prado 11 Betania. 8 9. 7. 3. Guavio Chivor (La Esmeralda) Sogamoso. 1 2. No Nombre. Medellín Medellín. Bogotá Zipaquirá. 160. 135. TE. TE TE TE. TE TE. TE TE. 58 55. 60 58. 60. 65. 77 69 65. TE 90 ER/PG 90. TE/RC 122 ER 115. ER. ER/PG 151 ER 140. ER. Buenaventura PG. Medellín. Medellín Medellín San Rafael. Ibague Neiva. Medellín Buga. Bogotá. Amalfi Cali. Popayán. Bucaramanga ER. 190. 500 240. 660 85. 207. 460. 1 122 500 460. 260 670. 455 240. 106. 400 240. 360. 680. Tabla 1.1: Presas en Colombia Tipo Alt Cresta *(m) (m) Gachala ER 246 390 Guateque ER 237 280 Ciudad. L L L. V V. L L. L. L V. V. V. V V. L S,R H,C, L S H,S L H L. H. H,S L. H,I H,I, C,S H H H. H H. S. H,C, I H,C, I H H. H H. EPM EPM. EAAB CAR. Chidral. EPM. ISA ISA EPM. Icel Icel. EPM CVC. EAAB. EPM CVC. CVC. ISA. ISA-EEB ISA. Dest Aliv Propietario. E.S. PotesChas, T. Main Ingetec R.J. Tipton y Assoc Integral Integral. Integral. Integral Integral SEDIC. Integral Ingetec-G y HTams Electr- Hidroes SEDIC. Ingetec CVC-Acres Intern Ingetec. CVC - Ingetec. Hidroes - Harza. Ingetec Ingetec. Ingeniería. Generalidades ICIV 201110 24.

(11) 1991 1952. 1984 1965 1962. 8 Río Grande I 9 Miraflores 10 Sesquilé. 4 Arroyo Matuya Campoalegre Guadalupe Tunjuelo. 1971. 1962 1951. 1938. 1973. 19 Regadera. 20 La Fe. 1969. Las Palmas. Tunjuelo. Nare. 1985. 1982. Nare Arroyo Grande Guatape. 1976 1969. Río Grande Tenche Tominé. Teusaca Sisga. Prado Guatape Nare GuatapeNare Río Grande. Cuenca. 11 Santa Rita 12 Arroyo Grande 13 Punchina (área baja) 14 San Lorenzo (área baja) 15 Arroyo Matuya 16 San Francisco 17 Troneras 18 Chisaca. 6 7. Río Grande II San Rafael Sisga. 5. 1988. Prado Punchina San Lorenzo Playas. Año Term 1971 1982 1985 1987. 1 2 3 4. No Nombre. Medellín. Bogotá. Medellín Bogotá. Manizales. Cartagena. Medellín. Medellín. Medellín Cartagena. Medellín Medellín Zipaquirá. Bogotá Zipaquirá. Medellín. Antioquia. Cundin. Antioquia Cundin. Caldas. Bolivar. Antioquia. Antioquia. Antioquia Bolivar. Antioquia Antioquia Cundin. Cundin Cundin. Antioquia. 34. 37. 40 38. 41. 45. 46. 47. 51.5 47. 58 55 54. 60 58. 65. 540. 358. 340 370. 378. 300. 600. 150. 1 000 1 100. 500 240 943. 660 85. 460. Tabla 1.2: Presas de tierra en Colombia Ciudad Depart. Alt Cresta (m) (m) Ibague Tolima 90 260 Medellín Antioquia 77 1 122 Medellín Antioquia 69 500 San Rafael Antioquia 65 460 V L L L. S. S. H S. H. I. H. H. S,R H,C, S H,S H H,C, R H I. L. L. L L. L. L. L L. L L L. L. H,S L. H,I H H H. EPM. EAAB. EPM EAAB. CHEC. Incora. ISA. ISA. EPM Incora. EPM EPM EPM. EAAB CAR. EPM. Icel ISA ISA EPM. Dest Aliv Propietario. Integral - GFCC Arthur Casagrande Fuller and Everett Integral. Syndibel. Hidroestudios. Integral. Integral Hidroestudios, Cieps Integral. Ingetec R.J. Tipton y Assoc Integral Integral Ingetec. Integral. Electr- Hidroes Integral Integral SEDIC. Ingeniería. Generalidades ICIV 201110 24.

(12) Generalidades. ICIV 201110 24. La presa Riogrande II es la quinta presa de tierra de mayor altura en Colombia. De las 5, es la más reciente lo que permite tener mayor accesibilidad a los datos y la información requerida. Asimismo, entre las 5 es la más cercana al área metropolitana de la ciudad de Medellín por lo que su importancia es mayor. Finalmente, es propiedad de las Empresas Públicas de Medellín que brindaron toda la información necesaria para hacer este proyecto realidad.. 1.2.. Generalidades sobre presas de tierra. La decisión de construir una presa de tierra recae sobre ciertas condiciones hidrológicas, geológicas y sísmicas de la zona. En el presente capítulo se analizan los requisitos esenciales para construir una estructura de este tipo y los parámetros que se deben tener presentes en el diseño y en la construcción del proyecto. La información contenida en este capítulo proviene, en su mayoría, del libro de ingeniería de presas de las Empresas Públicas de Medellín [7]. Para construir presas de tierra, el proyecto debe cumplir con ciertas condiciones especiales. Entre éstas están: Régimen de Precipitación de moderado a intenso: Tener un sólo período relativamente seco, con duración entre tres a cuatro meses a principios del año. El período seco de mediados de año (veranillo) no es tan consistente y normalmente es corto. Suelos residuales preponderantemente: derivados de rocas ígneas del tipo cuarzodioritas y granodioritas como los del Batolito Antioqueño, o de rocas metamórficas duras del tipo neises y anfibolitas, con espesores considerables y normalmente con altos contenidos de humedad constantes en el año. Roca sana competente para una fundación profunda. Ríos con grandes crecientes durante la mayor parte del año, excepto durante la estación seca. Hecho que limita el período para desviar el río. Sismicidad moderada: Diseño resistente a sismos de intensidad media a alta.. 1.3.. Diseño de la presa. El diseño de las presas de tierra debe cumplir ciertos parámetros que aseguren su estabilidad en la construcción y en toda su vida útil.. 5.

(13) Generalidades. 1.3.1.. ICIV 201110 24. Parámetros generales. A continuación se presentan unos parámetros generales utilizados en la construcción de presas de tierra en Colombia [7] Utilización de los suelos provenientes de excavaciones de otras obras o de préstamos en las cercanías: A través de perforaciones y estudios de suelos, se seleccionan los suelos menos plásticos y húmedos de los perfiles de excavación. Reducción de excavaciones para la fundación: Debido a su costo y tiempo se termina la excavación al encontrar suelos de características geotécnicas similares a las del terraplén. Sección homogénea o con alguna zonificación: Incorporar los suelos de mejor calidad en las zonas más críticas. Pendientes suaves en taludes laterales: Disminuir el tiempo de construcción de lleno, aprovechar tiempo seco y disipar presión de poros. Medidas de drenaje: Controlar línea freática, disipar presión de poros y prevenir infiltraciones en la fundación.. 1.3.2.. Características principales. Gracias a los parámetros señalados previamente, la ejecución de diseños típicos cumple con las siguientes características [6]: Excavación de fundación: Hasta llegar a suelo residual inalterado: limo o saprolito de roca totalmente meteorizada, que conserva cohesión y mantiene estructura de roca madre. Usualmente, se requiere solamente retirar los suelos orgánicos de los primeros uno o dos metros. Incorporar material arenoso y roca. Suelos mas arenosos en las zonas exteriores del lleno, normalmente el saprolito, del horizonte residual IC de la clasificación de suelos residuales de Deere y Patton. Estas zonas requieren de mayor resistencia al corte y los suelos son generalmente menos plásticos, más arenosos y con menor humedad. Permiten densidades más altas sin exceso de presión de poros. Diseños conservativos de taludes: Debido a la humedad en el suelo y a los posibles excesos de presión de poros. En ocasiones se utilizan contrapesos en las patas aguas arriba y aguas debajo de la presa. Sistemas de filtros y drenes en el lleno: Para controlar agrietamiento y disipar presión de poros.. 6.

(14) Generalidades. ICIV 201110 24. Construcción continua en los períodos secos para evitar incremento de humedad. Limpieza cuidadosa de la fundación: Prevenir licuación de suelos arenosos poco densos. Crestas anchas y altas: reforzadas con materiales constitutivos y con borde libre de 10 metros sobre el nivel de la cresta para prevenir fallas por sismos.. 1.4.. Construcción de la presa. En general y como ya se mencionó, los criterios más importantes en cuanto a la construcción del lleno es el corto período seco del año (de 3 a 4 meses) y el exceso de presión de poros que se deriva de la rápida construcción. Según esto, la construcción se planea con gran concentración de equipo y de horas de trabajo tanto del día y la noche. Por otra parte se debe diseñar con taludes conservativos y establecer sistemas de medida de presiones de poros continua.. 1.4.1.. Fundación. Para la fundación se debe retirar toda la capa vegetal, capas arcillosas plásticas superficiales, coluviones, aluviones y otros materiales de baja calidad. Debido a la dificultad de trabajar en el lecho del río, se construyen filtros ciegos en el lleno con pozos de bombeo para controlar el nivel de agua. Al finalizar, cuando la altura del terraplén sea superior a la presión de infiltración, se sella el pozo de bombeo. Cuando se presentan materiales de difícil extracción como lodos, es necesario desplazarlos con roca descompuesta. Posteriormente, se debe compactar.. 1.4.2.. Préstamos. Aprovechar materiales de mejor calidad como saprolito o suelo del horizonte IC, según la clasificación de Deere y Patton, tan pronto como sea posible. Para controlar el contenido de agua en el material se debe descubrir sólo el área que se vaya a explotar inmediatamente. Y se debe implementar buenas medidas de control de escorrentía para evitar que se incremente el grado de humedad del suelo.. 1.4.3.. Colocación de llenos. Es importante resaltar la extensa gama de técnicas y prácticas utilizadas para la construcción de terraplenes; sin embargo, se pretende mostrar algunas de los principales aspectos en el tema:. 7.

(15) Generalidades. ICIV 201110 24. Separar los materiales en el terraplén: ubicar los materiales menos plásticos y húmedos en los espaldones exteriores. Extender y compactar los suelos rápidamente; en caso de lluvia fuerte se debe descartar el material que no fue compactado. Mantener pendiente óptima para facilitar la evacuación rápida de la escorrentía; evitar en lo posible el humedecimiento del material de lleno. Cubrir rápidamente los filtros y drenes durante la construcción evitando la entrada directa de aguas lluvias. Variar sistemáticamente las rutas de transporte para no dejar huellas muy profundas en la superficie. Construir protecciones definitivas de los taludes exteriores tan pronto como sea posible para evitar el deterioro del terraplén. Controlar continuamente las presiones de poros y las deformaciones del terraplén para prevenir deformaciones excesivas o actuar oportunamente.. 8.

(16) Capítulo 2. Presa Riogrande II. Figura 2.1: Presa de Riogrande. 9.

(17) Presa Riogrande II. 2.1.. ICIV 201110 24. Datos Técnicos. Los datos expuestos en este trabajo provienen de la información recopilada por el ingeniero Jesus María Sierra y confirmada por las Empresas Públicas de Medellín. Ubicación. Antioquia. Destinación. Generación de energía y Abastecimiento de agua. Período de Construcción. 1985 a 1988. Propietario. Empresas Públicas de Medellín. Diseñador. Integral S.A. (Colombia). Constructor. Cubiertas y Mzov S.A. (España) Torno S.P.A. (Italia). Presa Tipo. Tierra. Altura. 65 m. Nivel de la Cresta. 2.280,5 msnm. Longitud de la Cresta. 460 m. Ancho de la Cresta. 10 m. Borde libre normal. 10,5 m. Volumen. 2’800.000 m3. Embalse Cuenca. Río Grande. Fuentes de Abastecimiento. Río Grande, río Chico y quebrada Las ánimas. Caudal promedio de entrada. 33,4 m3 /s. Volumen total. 240,58 hm3. Volumen útil. 138,96 hm3. Área Tributaria. 1.041 hm3. Vertedero. 10.

(18) Presa Riogrande II. ICIV 201110 24. Tipo. Canal Abierto, sin compuertas. Capacidad. 2.040 m3 /s. Longitud. 367 m. Ancho en el azud. 40 m. Nivel del vertimiento. 2.270 msnm. Descarga de fondo. 2.2.. Descripción. Conducto de sección circular. Geometría. 3,5 m de diámetro y 896 m de longitud. Capacidad. 53 m3 /s. Generalidades. La Presa Riogrande II se encuentra ubicada al nororiente de Medellín, en el municipio de Donmatías y hace parte del aprovechamiento múltiple Riogrande II. Éste se conforma por las centrales La Tasajera y Niquía, cuyas capacidades efectivas son de 300 MW y 21 MW respectivamente; y por la planta de potabilización de agua Manantiales, con una capacidad de 6 metros cúbicos por segundo, que provee el suministro de agua potable a la zona norte y central del área metropolitana del Valle de Aburrá. La presa ayuda al saneamiento del río Medellín por la disolución de las aguas originadas por el agua turbinada que descarga la central La Tasajera y además contribuye al sector turístico de la región con el parque Las Aguas. [7] El vertedero es un canal abierto sin compuertas, excavado en roca, revestido en concreto, con un deflector salto de esquí en el extremo de aguas abajo. La captación es una torre de 44,5 m de altura con cuatro bocatomas, dos para alimentar la central La Tasajera y dos para la Central Niquía. La casa de máquinas de la central La Tasajera, en la cual se alojan tres turbinas tipo Pelton, es una caverna a 660 m de profundidad, de 67 m de largo, 17 m de ancho y altura máxima de 27 m. La casa de máquinas de la central Niquía es superficial y alberga una turbina tipo Pelton, que descarga a un tanque de compensación, desde el cual se abastece la conducción de la planta de tratamiento Manantiales.. La presa Riogrande II pertenece a la segunda generación de presas de tierra de las Empresas Públicas de Medellín y recopiló toda la experiencia en diseño y construcción de presas de tierra en el departamento de. 11.

(19) Presa Riogrande II. ICIV 201110 24. Antioquia. Algunos de los criterios empleados más importantes son: la limpieza cuidadosa de la fundación retirando los depósitos aluviales y coluviales, la colocación de amplios contrapesos de suelo compactado en las patas de aguas arriba y aguas abajo, la implementación de un extenso sistema de filtros y drenes, y el seguimiento al comportamiento de las presiones de poros en el lleno. [7]. 2.2.1.. Actualizaciones. En el año 2004 se hizo una evaluación detallada del estado general de la presa, mediante el análisis y evaluación integral del comportamiento de toda la instrumentación instalada, inspección detallada de todos sus componentes y análisis de flujo, así como la evaluación de las características de diseño, construcción y operación en relación con los criterios actuales de diseño. De dicho estudio se concluyó que la presa Riogrande II presentaba un comportamiento satisfactorio, de acuerdo con lo esperado, por lo tanto no requirió de estudios adicionales, obras de actualización ni instalación de instrumentación adicional. [7]. 2.3.. Localización general. La cuenca de Río Grande, con un área de 1294km2 , hace parte de la hoya hidrográfica del río Porce, el cual a su vez es afluente del río Nechí y este último del río Cauca, dentro de la vertiente del río Magdalena en el mar Caribe. Dicha cuenca está situada en la zona central del departamento de Antioquia entre los 6◦ y 7◦ de latitud norte y los 75◦ y 76◦ de longitud oeste, al norte de la ciudad de Medellín, y en jurisdicción de los municipios de San Pedro, Entrerríos, Belmira, Don Matías y Santa Rosa de Osos. [6] El río Grande nace en el municipio de Santa Rosa de Osos, sobre la cordillera Central de Los Andes colombianos, a unos 3000 metros de altura sobre el nivel del mar, y después de recorrer unos 120 kilómetros desemboca al río Porce, aproximadamente en la cota 1100. El proyecto aprovecha las partes alta y media de la cuenca, recogiendo un área de drenaje de 1041km2 (cerca del 80 % del área total), que se caracteriza por ser una zona ondulada localizada entre los 3000 y 2200 metros sobre el nivel del mar.. 12.

(20) Presa Riogrande II. ICIV 201110 24. Figura 2.2: Ubicación del Proyecto [6]. 13.

(21) Presa Riogrande II. ICIV 201110 24. Figura 2.3: Ubicación General [6]. 14.

(22) Presa Riogrande II. 2.4.. ICIV 201110 24. Geología. El proyecto se encuentra en el macizo oriental antioqueño. En éste se encuentran rocas ígneas del Cretáceo, rocas metamórficas y depósitos no consolidados del Cuaternario que han sufrido procesos de erosión y relleno. Las rocas ígneas están conformadas por rocas graníticas típicas del Batolito Antioqueño y serpentinitas. Las rocas metamórficas son anfibolitas de edad Paleozoica. Éstas están compuestas en un 65 % de hornblenda y plagioclasas. Por último, los depósitos no consolidados están constituidos por coluviones y aluviones. Los primeros están conformados por bloques meteorizados de anfibolitas y serpentinitas en una matriz areno-limosa. Por su parte, los aluviones están constituidos por gravas de cuarzo aglutinadas en una matriz arenosa. [6]. 2.5.. Geotecnia. La presa Riogrande II se localiza a unos tres kilómetros aguas abajo de la desembocadura del río Chico al río Grande, en una zona en la que el río presenta un cauce amplio y estable, enmarcado por vertientes saprolíticas desarrolladas sobre suelos residuales del Batolito Antioqueño, cuyas rocas predominantes son graníticas. Entre éstas, predominan la cuarzodiorita y la granodiorita de grano grueso a medio y estan constituidas por plagioclasas, cuarzo, biotita y hornblenda. Estas rocas son generalmente duras pero debido a la abundancia de feldespato, al diaclasamiento y a las condiciones ambientales de abundante lluvia, estas rocas se meteorizan profundamente formando en el sitio de presa una capa de suelo residual con espesores de hasta 50 y 60 m.. 15.

(23) Presa Riogrande II. ICIV 201110 24. Figura 2.4: Mapa geológico [6]. 16.

(24) Presa Riogrande II. ICIV 201110 24. Figura 2.5: Mapa geológico regional [6]. Para la fundación de la presa se retiraron en promedio dos metros de espesor de material compuesto por depósitos de origen aluvial y coluvial, quedando la presa apoyada sobre suelo residual en el tramo de aguas arriba del filtro y sobre una zona de roca sana en el tramo aguas abajo del mismo. Los estribos quedaron también sobre suelo residual, después de retirar una pequeña bolsa de arcilla en el estribo derecho y una zona de coluvión en el estribo izquierdo en ambos casos reemplazados con limo. La mayor parte del vertedero quedó fundada sobre roca sana, con una cortina de 31 inyecciones de 15 m de longitud, con el fin de impermeabilizar la zona de entrada al vertedero. La presa de tipo zonificada, consta de un núcleo compuesto en su mayoría por arena limosa, con algunas zonas de limo de baja compresibilidad, con terraplenes estabilizadores aguas arriba y aguas abajo en material misceláneo y unos contrapesos en tierra. Los suelos empleados para el terraplén presentaron la característica de tener una humedad óptima obtenida en el ensayo Proctor Estándar. El sistema de drenaje se compone de un filtro inclinado, una red de colectores y mantos de drenaje sobre la fundación. El filtro está ubicado aguas abajo del eje de la presa, con un espesor máximo de cinco metros. Tiene en su base un colector de drenaje de 12 m de ancho por dos metros de altura, el cual descarga a su vez al colector de drenaje principal, ubicado en el antiguo lecho del río, de 13 m de ancho y altura variable entre 1,5 y 2 m, y termina en una tubería sin perforar de un metro de diámetro. Adicionalmente aguas abajo del 17.

(25) Presa Riogrande II. ICIV 201110 24. filtro la presa posee tres colectores de drenaje de seis metros de ancho ubicados en las cañadas principales y un manto de drenaje que se extiende por la superficie de la fundación y laderas, con espesor variable entre 1 y 1,5 m, conectados al colector principal. Se ejecutaron en total 51 sondeos con taladro rotatorio y recuperación de núcleos para la investigación del subsuelo en la zona de la presa. En donde se encuentra ubicado el vertedero y la zona de préstamo se realizaron 15 perforaciones con una longitud promedio de 635 m de profundidad. En el lugar de la presa se realizaron 36 perforaciones con una profundidad de 1.555 m. En cuanto a las propiedades de la roca sana del Batolito, cuarzodiorita se tomaron los datos de los núcleos intactos extraídos durante las investigaciones para la Central Hidroeléctrica de Guatapé. Tabla 2.1: Resultados de ensayos en la roca qu = 936kg/cm2 σ3 = 1960 + 0,53σ1 kg/cm2 τ= 468 + 0,76σn kg/cm2 El módulo de elasticidad secante varió entre 0,89x106 kg/cm2 y 0,25x106 kg/cm2 , con un promedio de 0,42x106 kg/cm2 y la relación de Poisson se observó entre 0.06 y 0.22 con una media de 0.15, variando en relación directa con el módulo de elasticidad. Adicionalmente se realizaron tres ensayos de compresión simple a núcleos de roca cuarzodiorita provenientes del área del proyecto. Se obtuvo una resistencia promedio de 892 kg/cm2 y un peso específico de 2.75 Ton/cm3 . En la zona de fundación de presa el suelo predominante es una arena limosa (SM) con intercalaciones de limos arenosos (ver figura 2.6). La humedad natural promedio es de 27 %, el límite líquido es en promedio 41 % y el índice de plasticidad presentó una media de 8 %. El peso específico es de 2.65 y la densidad seca es de 14.53 kN/m3. En las figuras 2.7 y 2.8se presenta el rango de variaciones de las granulometrías. A partir de un ensayo triaxial consolidado no drenada (C.U.) se determinaron las propiedades de resistencia: una cohesión de 22.6kPa y un ángulo de fricción interna de 35.4◦ visibles en la figura 2.9. En cuanto a la consolidación, el índice de compresibilidad Cc es de 0.2315 en promedio. Por otra parte, el coeficiente de permeabilidad K es de 8x10-5cm/s. Al finalizar la construcción se realizaron ensayos triaxiales cíclicos para analizar el comportamiento dinámico de los materiales, el potencial de generación de presiones intersticiales durante un sismo y la resistencia a esfuerzos cíclicos. [6]. 18.

(26) Presa Riogrande II. ICIV 201110 24. Figura 2.6: Carta de plasticidad. Figura 2.7: Curva granulométrica -Margen derecha de la fundación. 19.

(27) Presa Riogrande II. ICIV 201110 24. Figura 2.8: Curva granulométrica -Margen izquierda de la fundación. Figura 2.9: Trayectoria de esfuerzos efectivos. 2.5.1.. Material de préstamo. Luego de evaluar una serie de alternativas para el material de préstamo se seleccionó la excavación del vertedero como préstamo principal para la construcción de la presa. Asimismo, se utilizó la parte superior del estribo derecho de la presa como préstamo complementario (préstamo No. 1) En la zona del vertedero el suelo predominante es arena limosa SM con intercalaciones de limo arenoso ML, según la clasificación unificada. La humedad natural promedio es de 26.5 %, el límite líquido es en promedio 40 % y el índice plástico es de 8 %. Estos valores se pueden ver en la figura 2.11. El peso específico es de 2.63 y la densidad seca promedio de 14.9kN/m3 . En la figura 2.10 se encuentran las curvas granulométricas 20.

(28) Presa Riogrande II. ICIV 201110 24. mñaximas y mínimas. Por medio del ensayo triaxial C.U. sobre muestras compactadas con la energía Proctor Estándar se determinaron los parámetros de resistencia al corte: c’ =15.7kPa y σ ’ = 35◦ . De acuerdo al ensayo de compactación Proctor Estándar (ver figura 2.12) se determinó que la densidad seca máxima de 15.37 kN/m3 se obtiene a una humedad óptima promedia de 22.3 %.. Figura 2.10: Granulometría del material de préstamo. Figura 2.11: Carta de plasticidad material de préstamo. 21.

(29) Presa Riogrande II. ICIV 201110 24. Figura 2.12: Proctor estándar para el material de préstamo. 2.6.. Sismología. La principal fuente de actividad sísmica identificada en la zona de influencia de la presa Riogrande II está asociada a la zona de subducción, la cual se encuentra a una profundidad entre 60 y 150 km por debajo del sitio de presa y en la que se espera la generación de sismos con magnitudes entre 7,2 y 7,5. No se espera mayor aporte de otras fallas cercanas al sitio de presa, tales como Donmatías, Rio Chico y La Correa, entre otras. Al igual que para las presas construidas antes del Riogrande II, se aplicaron criterios conservadores para resistir las fuerzas sísmicas tales como taludes suaves en los terraplenes, cortina de drenaje ancha, borde libre conservativo, contrapesos extensos y manto de drenaje sobre la fundación del talud aguas abajo que se extienden hacia los estribos [6].. 22.

(30) Presa Riogrande II. ICIV 201110 24. Figura 2.13: Mapa de amenaza sísmica en el departamento de Antioquia. En la figura anterior se muestra, según el Instituto Colombiano de Geología y Minería (INGEOMINAS), la ubicación del proyecto según la amenaza sísmica. En este caso, el proyecto se encuentra en la zona intermedia con un coeficiente de aceleración de 0.15 a 0.2.. 2.7.. Hidrología. Se utilizó la información de 14 estaciones pluviográficas, 2 pluviométricas y 3 limnigráficas de EPM con un promedio de 25 años de registro y la información de 5 estaciones climatológicas del IDEAM para la realización de los estudios hidrológicos pertinentes. Para determinar las precipitaciones de diseño se utilizó un análisis de probabilidad conjunta de tormentas intensas en las subcuencas del Río Grande y el Río Chico con duraciones hasta de 16 horas para lograr una tormenta de un período de retorno de 500 años. La precipitación máxima probable se estimó aplicando los tres métodos tradicionales: el estadístico, el de maximización de la humedad y el de transposición de tormentas. Por otra parte, la creciente de diseño se estimó aplicando dos procedimientos: el de análisis de frecuencia de los caudales máximos instantáneos y el de la combinación de tormentas probables, hidrogramas unitarios y el método de pérdidas. El canal en concreto del vertedero se diseñó para evacuar, una vez transitada por el embalse, la creciente con un periodo de retorno de 500 años, capacidad que fue verificada con un modelo físico, encontrándose un valor de 1440m3 /s. Adicionalmente 23.

(31) Presa Riogrande II. ICIV 201110 24. se tomaron medidas para evacuar la creciente máxima probable una vez transitada por el embalse resulta en un caudal en el sitio de presa de 1818,11m3 /s por el canal completo del vertedero, es decir incluyendo la zona en roca no revestida en concreto. El borde libre normal de la presa es de 10,5 m y el borde libre mínimo de 1,72 m, obtenido al transitar la creciente máxima probable, estando el embalse en el nivel normal de operación, es decir en 2.270 msnm. El borde libre mínimo varió un poco con relación al definido en el diseño original, el cual era de 2,16 m, con base en un ajuste a la curva de calibración del vertedero obtenida por el área Hidrometría e Instrumentación en el año 1993 [6].. 2.8.. Instrumentación. La presa Riogrande II cuenta con 94 instrumentos distribuidos en varias secciones y ubicados en el terraplén, fundación y zonas adyacentes, con el objeto de medir infiltraciones, presiones de poros, deformaciones y aceleraciones, tal como se describe en la Tabla 2. Para controlar las infiltraciones provenientes del embalse a través de los estribos y de unas zonas identificadas como delgadas, se aforan varias quebradas y nacimientos ubicados aguas abajo del embalse. Adicionalmente se hacen ensayos para medir parámetros fisicoquímicos a la salida del colector de drenaje de la presa y se comparan con los valores obtenidos en el embalse. En el año 2008 se automatizaron todos los pozos de observación, el medidor de infiltraciones y nueve piezómetros hidráulicos, con transmisión de datos hasta la oficina principal. [7] Tabla 2.2: Instrumentos en la presa Ríogrande II Instrumento Cant. Parámetro Medidor de Infiltraciones 1 Infiltraciones a través de la presa, a la salida del colector de drenaje Piezómetro de alambre 2 Presiones de poros en el terraplén, aguas arriba del filtro vibratorio Pozo de observación 12 Posición del nivel freático en los estribos Piezómetro neumático 6 Presiones de poros en la zona adyacente a la margen izquierda, aguas abajo del vertedero Piezómetro hidráulico 51 Presiones de poros en el terraplén y fundación de la presa, en cuatro secciones de la presa Punto de control superfi- 17 Movimientos superficiales horizontales y verticales en la cial presa Acelerógrafo 2 Aceleración en roca y en la presa Celda de presión total 3 Presiones horizontales y verticales totales en la parte inferior del núcleo de la presa En la siguiente figura se encuentran series de tiempo de los registros de piezómetros hidráulicos y el nivel del embalse. Éstos son utilizados para medir las presiones de poros en la fundación de la presa. Como se puede ver en la figura 14 tomada de EPM[7], estos valores cambian a lo largo del año y mantienen un cierto promedio con respecto a otros años. 24.

(32) Presa Riogrande II. ICIV 201110 24. Figura 2.14: Mediciones de piezómetros en la sección central de la presa. Figura 2.15: Ubicación de piezómetros. 2.9.. Equipos electromecánicos. Los equipos electromecánicos utilizados en la presa Riogrande II cuentan con la última tecnología del siglo y se encuentran en perfectas condiciones. El listado presente a continuación proviene del libro de Presas de EPM [7] Equipos en la captación Dos secciones iguales de rejas coladeras en cada aducción, de 2,7 m de ancho por 3,7 m de largo y peso total de 120 kN, unidas por pernos y provistas de ruedas de guía y ganchos de alce para manejo con viga de pesca acoplada al puente-grúa. Una compuerta auxiliar para cada aducción, de 2,94 m de ancho por 3,6 m de largo, 26 m de carga hidráulica de diseño, sello aguas abajo, provista de ruedas guía y ganchos de alce para manejo con viga de pesca acoplada al puente-grúa.. 25.

(33) Presa Riogrande II. ICIV 201110 24. Una compuerta principal en cada aducción, de 3,72 m de ancho por 3,85 m de largo, peso de 125 kN, sello aguas abajo, diseñada para una carga hidráulica de 26,3 m y cierre con flujo de 100 m3/s, operada por servomotor. Un puente-grúa de 150 kN de capacidad y 11 m de luz. Una canastilla de inspección de 500 kN de capacidad de carga. Un sistema de desvío de las dos compuertas auxiliares de las aducciones de cada central, de 100 mm de diámetro. Un sistema de medida de nivel de agua del embalse y supervisión de pérdidas hidráulicas a través de las rejas de las aducciones. Equipos en la descarga de fondo Una compuerta principal de 2,6 m de ancho por 3,5 m de largo, 57 m de carga hidráulica de diseño, sello aguas abajo, operada bajo flujo por servomotor de aceite.. 2.10.. Diseño de la presa. Siendo la presa de tierra más reciente de EPM, sus diseños recogen los criterios de diseño más actualizados. Entre ellos [7] : Material de fundación: Principalmente roca, saprolito y suelo residual de buenas condiciones geotécnicas. Se retiraron todos los depósitos coluviales, aluviales y descapotes. Material de préstamo: Material grueso granular, menos plástico y menos húmedo ubicados en espaldones exteriores aguas arriba y aguas abajo. Material más limoso en el núcleo. Espaldón reforzado: En la zona de aguas arriba se colocó una cuña de saprolito y encima un lleno de enrocado. Contrapesos de suelo compactado: En las patas de aguas arriba y aguas abajo, cubren aproximadamente 50 % de la altura del terraplén. De material de menor calidad con taludes exteriores muy conservativos dan estabilidad adicional. Extenso sistema de filtros y drenes: En el lecho del río se cuenta con un filtro chimenea de cascajo y arena limpios de 5 metros de ancho, un colector de drenaje gradado con núcleo central de cascajo procesado y tubería perforada. En las depresiones de la fundación se encuentran colectores complementarios. 26.

(34) Presa Riogrande II. ICIV 201110 24. Pata aguas abajo: 18 metros de altura de enrocado compactado. Ancho de cresta de 10 metros y un borde libre normal de 10,5m. Programa de seguimiento al comportamiento de las presiones de poros en el lleno. A continuación, en las figuras 16 y 17 tomadas de [7] se encuentran la planta y la sección principal de la presa.. Figura 2.16: Planta de la presa. 27.

(35) Presa Riogrande II. ICIV 201110 24. Figura 2.17: Sección principal de la presa. 28.

(36) Capítulo 3. Modelo de la presa Para analizar la estabilidad de la presa Riogrande II se elaboró un modelo de la presa, utilizando el programa de elementos finitos Abaqus. En este capítulo se describe la geometría detallada de la estructura y los materiales que se utilizaron. Para formar la malla de elementos finitos se recurrió al programa AutoCAD para graficar de manera exacta la presa. Posteriormente se creó un archivo de entrada o input (.inp) con las coordenadas de los nodos y la información de los elementos para Abaqus y finalmente analizar la estabilidad de la estructura. Este capítulo pretende describir cada uno de los pasos fundamentales para crear el modelo.. 3.1.. Geometría de la presa. Para realizar el modelo de la presa se utilizó la sección principal que se encuentra en el capítulo anterior y que atravieza el eje de la presa por el centro de la estructura. Ésta consta de un núcleo de arcilla, unos espaldones de material misceláneo a los lados, unos contrapesos o llenos de arena y un par de patas o ataguías aguas arriba y abajo de la presa en tierra a excepción de la ataguía aguas abajo de enrocado compactado. Por último, un espaldón de enrocado compactado en la parte superior del terraplén aguas arriba. Para poder aislar el efecto de borde se tomó una longitud 1,5 veces el tamaño de la estructura a cada lado de ésta y una profundidad apróximadamente dos veces el tamaño hacia abajo de la fundación.. 29.

(37) Modelo de la presa. ICIV 201110 24. Figura 3.1: Geometría del modelo. Con la precisión proporcionada por AutoCAD (0.1mm) se procedió a discretizar el modelo en elementos rectangulares de 5 metros de altura. Inicialmente, se identificaron los nodos y posteriormente los elementos. Se partió de la parte superior (cresta) finalizando con los nodos y elementos de la fundación. Para la ubicación de los nodos y la identificación de los elementos se utilizó el programa Excel. El archivo de entrada (input) al programa Abaqus se escribe en un bloc de notas y al momento de guardar se identifica con la extensión (.inp). Las líneas de texto que Abaqus no procesa son las que tienen dos asteriscos al comienzo (**). Los parámetros o funciones son identificados por un asterisco (*) y las lineas de información que le siguen a la línea de función no tienen ningún símbolo previo. La diferente información que define el parámetro se separa por comas. Es necesario saber la definición precisa de cada parámetro, qué información es necesaria y qué valores toma por defecto en caso de no dar la información. Para una definición clara de cada una de los parámetros y su información se recomienda el manual de referencia de palabras claves de Abaqus disponible en la documentación del programa [1]. Es común empezar el archivo .inp especificando el encabezado o título del modelo. También es importante determinar las unidades con las que se trabajará en todos los parámetros. Abaqus permite utilizar 4 formas distintas según la conveniencia del ambiente en el que se trabaje. Se puede utilizar el sistema de unidades estadounidense (US Unit) con pulgadas o con pies, o el sistema internacional (SI) con metros o con milímetros. En el presente trabajo se utilizará el sistema internacional en metros. ****************************************************** *HEADING PRESA DE TIERRA RIOGRANDE II SI Units - kg, m, s ******************************************************. 3.1.1.. Declaración de nodos. El primer paso es declarar los nodos. Para identificarlos, se define inicialmente el número del nodo y luego de una coma (,) se definen las coordenadas (x,y). Todos los nodos se definen en el mismo grupo (NSET = 30.

(38) Modelo de la presa. ICIV 201110 24. ALL). ****************************************************** **DECLARACION DE LOS NODOS ****************************************************** *NODE, NSET=ALL 1, 305,175 2, 306.2143,175 3, 310,175 (...) ****************************************************** Para nombrar los nodos de forma rápida y sin necesidad de varias líneas de información se puede hacer uso de los comandos especiales como 1. *NGEN para generar nodos entre dos nodos previamente definidos. 2. *NCOPY para copiar un grupo de nodos (NSET) y crear un nuevo grupo a la distancia deseada. 3. *NFILL para generar nodos en una region entre dos fronteras de grupos de nodos. Posteriormente, se definen los grupos para las fronteras (boundaries): NBOT para la base, NLEFT para el extremo izquierdo y NRIGHT para el extremo derecho. ****************************************************** **NODOS BASE DE FUNDACION *NSET,NSET=NBOT 3745, 3746, 3747, 3748, (...) ****************************************************** **NODOS LATERAL IZQUIERDO FUNDACIÓN *NSET, NSET=NLEFT 715, 1033, 1385, 1736, (...) ******************************************************* **NODOS LATERAL DERECHO FUNDACIÓN *NSET, NSET=NRIGHT 1231, 1582, 1933, 2284, (...) ****************************************************** Estos grupos de nodos, tienen los nombres de los nodos separados por comas. El número máximo de nodos por linea es catorce (14), las líneas se dividen por comas al final de la fila. Es importante saber el nombre o 31.

(39) Modelo de la presa. ICIV 201110 24. número que se le asignó a cada nodo para poder ubicarlo en el grupo. Si se utiliza el mismo número para dos nodos ambos serán rechazados por el sistema.. 3.1.2.. Declaración de elementos. Los elementos que se utilizaron en el modelo son CPE4R (4-node bilinear, reduced integration with hourglass control), para los elementos de cuatro nodos bilineales y CPE3 (3-node linear) para los de 3 nodos lineales. Ambos se definieron con esfuerzos en un sólo plano (x,y) con integración reducida y control de reloj de arena. Al utilizar integración reducida para los elementos de 4 nodos, el número de puntos de integración es suficiente para integrar de manera exacta las contribuciones al campo de esfuerzos que son un orden menor que la interpolación. La contribución de mayor orden que queda incompleta para el campo de esfuerzos presente en estos elementos no será integrada. [2] La ventaja principal de los elementos de integración reducida es que los esfuerzos y deformaciones son calculados en el lugar que proporciona mayor precisión, el llamado Punto Barlow (Barlow point) [3]. Otra ventaja es que el número reducido de puntos de integración decrece el tiempo de CPU y los requerimientos de almacenamiento. Por otro lado, la desventaja es que el procedimiento puede admitir modos de deformación con deformación cero en el punto de integración. Este modo de cero energía hace que el elemento sea rangodeficiente y causa el fenómeno "Reloj de arena "donde el modo de energía cero empieza a propagarse por la malla, llegando a soluciones imprecisas. Para prevenir esta deformación excesiva se adiciona una rigidez artifical al elemento. En este procedimiento, llamado "control de reloj de arena ", una pequeña rigidez es asociada al modo de deformación de cero energía. Este procedimiento es usado en la mayoría de los elementos sólidos y de capa en Abaqus. Los materiales incompresibes no pueden definirse con elementos de integración completa ya que el material no puede deformarse sin cambio de volumen. Para este caso, Abaqus usa la "integración de reducción selectiva "donde la integración reducida es utilizada para la deformación de volumen y la integración completa para los esfuerzos desviadores. [2] Los elementos deben nombrarse en el sentido contrario a las manecillas del reloj, de lo contrario, el área calculada será negativa. En lo posible, los elementos deben tener la misma área y ángulos internos. Se debe tener en cuenta los rangos aceptados por Abaqus para los ángulos internos: los cuadriláteros deben tener ángulos entre 45◦ y 135◦ y los triángulos entre 10◦ y 160◦ . Los elementos se definieron en grupos según cada estructura y finalmente se agruparon en ALL.. 32.

(40) Modelo de la presa. ICIV 201110 24. **DECLARACION DE LOS ELEMENTOS ****************************************************** *ELEMENT,TYPE=CPE4R,ELSET=PREATAGUIA1CUAD 2, 696, 752, 753, 694 3, 694, 753, 754, 691 4, 754, 755, 692, 691 6, 693, 755, 756, 695 7, 756, 757, 697, 695 **ELEMENTOS TRIANGULARES EN LA PREATAGUIA1 *ELEMENT,TYPE=CPE3,ELSET=PREATAGUIA1TRI 1, 751, 752, 696 5, 692, 755, 693 8, 757, 758, 697 *ELSET,ELSET=PREATAGUIA1 PREATAGUIA1CUAD,PREATAGUIA1TRI ****************************************************** (...) **UNIR TODO *ELSET,ELSET=ALL MISCELANEO1, PREATAGUIA1, ATAGUIA1, LLENO1, ROCA, NUCLEO, MISCELANEO2, PREATAGUIA2, ATAGUIA2, LLENO2, FUNDACION ****************************************************** Como en el caso de los nodos, para nombrar de manera rápida y sencilla los elementos se puede utilizar algun comando de repetición. El comando *ELGEN genera elementos incrementales. Se pueden generar elementos en una fila o inclusive toda una malla, al indicar la longitud total, el incremento en el número de los nodos que los definen y el incremento en el nombre del elemento. Al igual que con los nodos, la definición de estas funciones se encuentran en el manual de palabras claves [1].. 3.1.3.. Declaración de superficie. Para modelar la presión hidrostática en el momento en que el embalse esté en el nivel normal de capacidad se definió un grupo de elementos en contacto con el agua ELWAT. Posteriormente se declaró una superficie de contacto AGUA.. 33.

(41) Modelo de la presa. ICIV 201110 24. *************************************************** **ELEMENTOS EN CONTACTO CON EL AGUA *ELSET, ELSET=ELWAT 55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67, 68,69,70,71,72,73,74,75,76,77,78,79,80, 81,82,83,147,148,149,150,151,152,153,154, 155,156,157,158,159,160,161,9,10,12,14, 16,17,19,20,22,30000,1,2,3,4 *************************************************** *SURFACE, NAME=AGUA, TYPE=ELEMENT ELWAT *************************************************** Finalmente se tiene una estructura compuesta por 11 partes. En total se tomaron 3857 nodos que definieron 3889 elementos. Así que el modelo resultó con 7714 variables para resolver.. Figura 3.2: Malla de elementos finitos. 3.2.. Materiales. Para analizar el comportamiento de la presa es de gran importancia conocer los parámetros que caracterizan el comportamiento mecánico de los materiales. En el capítulo anterior, se mostraron algunos resultados de ensayos realizados a partir de las muestras del suelo de la fundación y de los préstamos. Sin embargo, la información de los materiales finales a utilizar en cada una de las partes no se especifica. En el modelo se hizo uso de la información anterior para proporcionar valores típicos a los materiales descritos.. 3.2.1.. Comportamiento elástico. Inicialmente se realizó un modelo describiendo los materiales con un comportamiento elástico. Esto se debe a que en Abaqus, el rango de esfuerzos y deformaciones es tan amplio que el modelo constitutivo descrito. 34.

(42) Modelo de la presa. ICIV 201110 24. en una UMAT que se quisiera aplicar debe tener cubiertos todos estos tipos de desplazamiento. El comportamiento elástico supone una relación directa entre los esfuerzos y las deformaciones que se describe mediante el módulo de elasticidad de Young (E). La relación entre la deformación longitudinal y la deformación transversal es descrita por el coeficiente de Poisson (ν). En un material elástico, la historia de esfuerzos y deformaciones es irrelevante para analizar el comportamiento del material. Sabiendo el esfuerzo se puede conocer el desplazamiento, o al contrario. Si el material es 100 % elástico, las deformaciones plásticas nunca ocurren, es decir, cualquier deformación es completamente reversible. La ecuación constitutiva de Hooke es la función que describe el comportamiento de un material elástico [8]. Sujeto a un esfuerzo uniaxial, se describe como:. Txx = Eεxx. (3.2.1). Donde Txx es el esfuerzo principal en la dirección x, E es el módulo de Young y ε es la deformación unitaria en la misma dirección de esfuerzos. La ecuación constitutiva general para un comportamiento elástico se puede expresar en notación tensorial como:. T=C:ε. (3.2.2). Donde T representa el tensor de esfuerzos efectivos de Cauchy y C el tensor de cuarto orden de la rigidez o el módulo cortante y ε el tensor de deformación infinitesimal [4]. Los parámetros que se requieren para describir un material elástico son el módulo de elasticidad y la relación de Poisson. Asimismo, para describir un material en Abaqus es imperativo declarar la densidad (ρ). Como se dijo inicialmente, se trabajarán las unidades del sistema internacional. Esto es para la densidad kg/m3 y para el módulo de Young en Pa(N/m2 ). En el archivo de entrada de Abaqus se declara el comportamiento elástico de un material con el comando *ELASTIC. Este comando puede identificarse según el tipo de comportamiento. El tipo por defecto es isotrópico, es decir que las propiedades del material son las mismas en todos los sentidos. Sin embargo, se podrían definir diferentes tipos de comportamiento entre éstos: ortotrópico, anisotrópico, laminar o fibrilar. En el modelo de la presa se utilizó un comportamiento elástico isotrópico en el que la primera linea de información debe ser el módulo de elasticidad de Young (E), la relación de Poisson (ν), la temperatura (θ ), y luego determinar hasta 5 variables de campo. Las siguientes lineas de información son necesarias sólo si el material tiene más variables de campo. No obstante, son indispensables solamente el módulo de Young y Poisson.. 35.

(43) Modelo de la presa. 3.2.2.. ICIV 201110 24. Parámetros del comportamiento elástico. En primer lugar, debido a que la sección se encuentra ubicada en el centro de la estructura y según la descripción obtenida, la fundación se tomó como roca sana. El material se define como ROCA y tiene una densidad de 2750 kg/m3 . Tabla 3.1: Propiedades Mecánicas de la Roca E = 4,20x109 Pa ν = 0,15. La roca también es utilizada en la ataguía aguas abajo. Ésta se considera igualmente roca sana por lo que conserva las propiedades descritas anteriormente. Sin embargo, la roca utilizada en el espaldón aguas arriba es una roca prefisurada por lo que sus propiedades mecánicas cambian. Para describir su comportamiento en el modelo se utilizaron los valores de roca fisurada del estudio de suelos de materiales de préstamo. Tabla 3.2: Propiedades Mecánicas de la Roca Fisurada γ = 2000kg/m3 E = 5,00x108 Pa ν = 0,20. El núcleo, como se describió previamente, esta compuesto en su mayoría por arena limosa SM con algunas zonas de limos de baja compresibilidad ML. Asumiendo que el material utilizado tiene las propiedades del material de préstamo principal, del cual se habló en el capítulo anterior, se tienen las siguientes propiedades mecánicas. Tabla 3.3: Propiedades Mecánicas de la arena limosa SM γ = 1540kg/m3 E = 7,50x107 Pa ν = 0,30. Los terraplenes estabilizadores aguas arriba y aguas abajo son compuestos por material misceláneo; sin embargo, sus características mecánicas no son descritas con claridad. Para el análisis se utilizaron los parámetros de la arena bien graduada con grava SW. Tabla 3.4: Propiedades Mecánicas de la arena bien graduada con grava SW γ = 1900kg/m3 E = 1,50x108 Pa ν = 0,30. 36.

(44) Modelo de la presa. ICIV 201110 24. Los contrapesos o llenos estan compuestos por arena proveniente de la parte más gruesa del material de préstamo. Sus características son muy similares a las de la arena bien graduada con grava a excepción de la baja cantidad de materiales gruesos y a la menor compactación. Tabla 3.5: Propiedades Mecánicas de la arena bien graduada SW γ = 2200kg/m3 E = 9,50x107 Pa ν = 0,30. La ataguía aguas arriba y las preataguías en ambos costados se presentan como patas de tierra. Para el comportamiento mecánico se tomó la grava arenosa proveniente de los depósitos aluviales. Tabla 3.6: Propiedades Mecánicas de la grava arenosa γ = 1900kg/m3 E = 1,00x108 Pa ν = 0,30. Para Abaqus se necesita determinar en primer lugar el grupo de elementos que comparten las características del material. Luego, declarar el material y finalmente sus propiedades. Como se describió previamente, las características elásticas isotrópicas sólo requieren de dos parámetros: Young y Poisson.. ************PARAMETROS DE LOS MATERIALES**************** *ELSET,ELSET=ROCASANA FUNDACION, ATAGUIA2 *SOLID SECTION,ELSET=ROCASANA, MATERIAL=ROCASANA *MATERIAL,NAME=ROCASANA *DENSITY 2750 *ELASTIC 4.2E9,0.150 ********************************************************* *SOLID SECTION,ELSET=ROCA,MATERIAL=ROCAFISURADA *MATERIAL,NAME=ROCAFISURADA *DENSITY 2000 *ELASTIC 5.0E8,0.20 *********************************************************. 37.

(45) Modelo de la presa. ICIV 201110 24. ********************************************************* *SOLID SECTION,ELSET=NUCLEO,MATERIAL=ARCILLA *MATERIAL,NAME=ARCILLA *DENSITY 1540 *ELASTIC 7.5E7,0.30 ********************************************************** *ELSET,ELSET=ARENACONGRAVA MISCELANEO1,MISCELANEO2 *SOLID SECTION,ELSET=ARENACONGRAVA, MATERIAL=ARENACONGRAVA *MATERIAL,NAME=ARENACONGRAVA *DENSITY 1900 *ELASTIC 1.5E8,0.30 *********************************************************** *ELSET,ELSET=ARENA LLENO1,LLENO2 *SOLID SECTION,ELSET=ARENA, MATERIAL=ARENA *MATERIAL,NAME=ARENA *DENSITY 2200 *ELASTIC 9.5E7,0.30 ************************************************************ *ELSET,ELSET=GRAVAARENOSA PREATAGUIA1,PREATAGUIA2,ATAGUIA1 *SOLID SECTION,ELSET=GRAVAARENOSA, MATERIAL=GRAVAARENOSA *MATERIAL,NAME=GRAVAARENOSA *DENSITY 1900 *ELASTIC 1.0E8,0.30 ************************************************************. 38.

(46) Modelo de la presa. ICIV 201110 24. Figura 3.3: Materiales. 39.

(47) Capítulo 4. Comportamiento del modelo Para analizar el modelo se deben definir también las condiciones iniciales, las cargas que estarán actuando y los pasos que se deben calcular. En este capítulo se explica en detalle las condiciones declaradas para el modelo y posteriormente las cargas que fueron aplicadas en cada paso. Al final, se muestran y analizan los resultados de estos pasos. En ellos, es de principal importancia los esfuerzos y los desplazamientos en cada iteración. Asimismo, se deben comparar los diferentes resultados partiendo de diferentes cargas y con diferentes condiciones.. 4.1.. Condiciones iniciales. Luego de definir la geometría y los parámetros de los materiales se deben declarar las condiciones iniciales del modelo. La opción *INITIAL CONDITIONS para el documento de entrada tiene diferentes opciones de parámetros. Entre éstos están las condiciones de contacto entre dos superficies, las presiones del fluido en cavidades, las tasas de flujo de masa, las presiones de poros y los esfuerzos iniciales. Para empezar, en el modelo se describen las condiciones iniciales de esfuerzos geostáticos en la fundación. Estos esfuerzos se presentan sólo en la fundación ya que se asume que éste es el único material que estaba ahí antes de la construcción y que sufrirá un cambio de esfuerzos que cambia según el espesor del material. Para estos esfuerzos la línea de datos debe tener: el primer valor del componente vertical del esfuerzo, la coordenada vertical del valor anterior, el valor máximo del componente vertical del esfuerzo, su coordenada, el coeficiente de esfuerzo lateral en la dirección x, y en la dirección y. El esfuerzo geostático en la base (máximo valor) se calcula como el producto de la gravedad, la densidad de la roca en la fundación y la profundidad del estrato.. 40.

(48) Comportamiento del modelo. ICIV 201110 24. ****************************************************** *INITIAL CONDITIONS,TYPE=STRESS,GEOSTATIC FUNDACION, 0, 0, -3237300, -120.00, 0.7, 0.7 *******************************************************. 4.1.1.. Condiciones de frontera. Las condiciones de frontera se pueden declarar independientes del tiempo y/o también pueden variar en cada paso. Si se declaran al inicio pueden utilizarse para especificar los valores de todas las variables básicas como desplazamiento, rotación, presión, temperatura, etc... Al declararlas en el archivo .inp se utilizan para definir los nodos con valores de frontera igual a cero. Y si se declaran en el paso de análisis se dan como un archivo de datos de historia para modificar los valores previamente estipulados en el archivo. Más adelante, se explicará el uso como datos de historia. En Abaqus, el comando utilizado es *BOUNDARY y cuando es utilizado para declarar los valores de frontera no requiere de ningún parámetro. En las líneas de información se debe especificar primero el grupo de nodos que serán la frontera, luego el primer grado de libertad, y el último. En el capítulo anterior se definieron los grupos de elementos para las fronteras típicas: base, izquierda y derecha. ****************************************************** *BOUNDARY NBOT, 1,2 NLEFT, 1,2 NRIGHT,1,2 ****************************************************** Según esto, los grupos de elementos NBOT, NLEFT y NRIGHT crean 3 fronteras: abajo, a la izquierda y a la derecha del modelo asignando valores de cero desplazamiento en los dos grados de libertad: ux y uy . Para el análisis sísmico se utilizan las condiciones de frontera que varían con el tiempo. La opción *AMPLITUDE permite cambios arbitrarios en la carga o los desplazamientos en un paso. El único parámetro requerido es el nombre; pero hay varios parámetros opcionales como la definición de la amplitud (tabular, periódica, dependiente, etc...), la escala de aplicación o el archivo de entrada. En este caso, se utilizaron dos archivos de entrada (.inp) para describir la aceleración vertical y la aceleración horizontal. ****************************************************** *AMPLITUDE, NAME=HAMP, INPUT=koynahaccel.inp *AMPLITUDE, NAME=VAMP, INPUT=koynavaccel.inp ****************************************************** 41.

(49) Comportamiento del modelo. ICIV 201110 24. Se probaron varios sismos, el primero de las figuras que se muestran a continuación es un sismo de magnitud 6.5 en la escala de Richter tomado de la presa Koyna el 11 de Diciembre de 1967. El análisis sísmico de la presa de concreto en Maharashtra, India ha sido estudiado por varios investigadores, entre ellos, Chopra y Chakrabarti (1973), Bhattacharjee y Lager (1993), Ghrib y Tinawi (1995), Cervera et al. (1996) y Lee y Fenves(1998) [1].. (a) Horizontal. (b) Vertical. Figura 4.1: Aceleración del sismo. 4.2.. Pasos. Para analizar el comportamiento de la estructura en Abaqus se debe dividir el historial del problema en diferentes pasos. Cada paso tiene un procedimiento dado y las cargas y tasas de aplicación cambian. Los pasos se definen según las fases que se quieran analizar. Comunmente, los pasos se diferencian por el cambio en la carga o el cambio en el procedimiento de análisis. En Abaqus se pueden hacer diferentes análisis entre ellos: análisis estático de esfuerzo/deformación y análisis dinámico de esfuerzo/deformación, ambos utilizados en el trabajo. El paso en el archivo de entrada se declara con *STEP y en la misma linea separado por comas se pueden definir ciertos parámetros. Si los parámetros no se definen, el valor por defecto es escogido según el tipo de problema. La linea de datos es opcional y corresponde al encabezado que tendrá el análisis.. 4.2.1.. Parámetros del paso. Entre los parámetros opcionales para determinar el paso, se definieron los siguientes: NLGEOM: Este parámetro indica que se podría esperar un análisis de geometría no lineal. Al omitirlo, el análisis sería geométricamente lineal. UNSYMM: Al igualar este parámetro a si (YES), se está indicando que se debería utilizar matrices asimétricas para el almacenamiento y la solución. 42.