6 Unidad 2 Geologia Geotecnia

Ing. Teresa Velásquez Bejarano. Docente Principal de la UNALM

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA Facultad de Ingeniería Agrícola

Departamento de Recursos Hídricos

CURSO DISEÑO DE PRESAS GEOLOGIA y GEOTECNIA

PresaTicllacocha.

Cuenca Alta del Rio

Cañete.

1

Plano de delimitación de la cuenca de la Quebrada Santa Cruz y

alternativas

Eje de Presa Vaso del

Reservorio

Descarga

Aguas Abajo

Estudios en la zona

de canteras o

materiales

Estudios en el eje de

Boquilla. Vaso y

descarga

Impactos de

la zona

inundada

BENEFICIADOS

O

AFECTADOS

Ing Teresa Velasquez Bejarano 2

TANCAN LAGUNA Cuenca alta del Rio

Pativilca

ESTRIBOS

CIMENTACION

VASO DEL

RESERVORIO

ZONA DE PRESA

PROYECTADA

ESTRIBOS

DESCARGA

AGUAS ABAJO Ing Teresa Velasquez Bejarano 3

PresaTicllacocha.

Cuenca Alta del Rio Cañete. ESPALDONES

Protección de taludes

NUCLEO

CIMENTACIONES

Estrato 2

CIMENTACIONES

Estrato 1

ROCA Ing Teresa Velasquez Bejarano 4

COMENTARIOS GENERALES

- Los planteamientos Preliminares identificados

utilizando las Cartas Geográficas ( Escala 1: 100,000

o 1: 25,000), Fotografías Aéreas, imágenes

satelitales, son la base de los estudios

GEOLOGICOS E INVESTIGACIONES

GEOTECNICAS


RECONOCIMIENTO GEOLOGICO

.La GEOLOGIA es responsabilidad del Ing. Geólogo quien utilizara los

planos Topográficos y Geológicos, informes, publicaciones, Imágenes

Aéreas para realizar un primer reconocimiento del Área del proyecto.

.Los requerimientos del Estudio GEOLOGICO para el proyecto de la Presa

son los siguientes:

Geología General de la zona de los eje de Presa.

Condiciones Geológicas que puedan afectar la estabilidad

Condiciones Geológicas que afecten el movimiento del nivel freático.

Condiciones del nivel freático

Carácter general de corrientes Fluviales, pendiente y taludes del Valle,

materiales del lecho.

Disponibilidad de materiales adecuados para la construcción.


INVESTIGACIONES GEOLOGICAS

. Los métodos de Investigación de cimentaciones geológicas de

superficie son los que proporcionan mayor información y al

menor costo.

. Es el primer paso de todo estudio geológico

. Posteriormente continúan otros especialistas: Geofísicos,

sismólogo, expertos en mecánica de suelos y de rocas.

. Luego de los estudios mencionados procede la interpretación de

los resultados.

. También será necesario llevar a cabo los estudios geológicos

localizados como el sitio de Presa, área del vaso del reservorio,

áreas aguas debajo de la presa.

.


• Proporcionan datos Básicos para los investigadores de:

ESTUDIO DE CIMENTACIONES

SELECCIÓN DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCION

COSTOS UNITARIOS DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCION

EVALUACION DE FLUJOS SUBTERRANEOS

EVALUACION DEL RECURSO SUELO

INVESTIGACIONES ECOLOGICAS

Que importancia tienen los estudios

Geológicos?


TERMINOLOGIA

1. Estatigrafia.- Formacion de Rocas y descripcion de las

mismas.

2. Estructura Geologica.- Describe la forma y orientacion

de las estructuras geológicas.

3. La historia geologica describe caracteristicas como

resistencia del material, conductividad hidraulica, periodos

y epocas

Algunos términos usados en Geologia


Fuente:

Helweg


Con las divisiones de tiempo la rocas se clasifican en Consolidadas y

no consolidadas, estas ultimas son los suelos.

Las rocas consolidadas se clasifican como SEDIMENTARIAS, IGNEAS

Y METAMORFICAS, lo que depende si fueron formadas por

sedimentos comprimidos (calizas) o formadas del núcleo de la tierra

(granito) o formadas por procesos que las cambio en algo diferente

(mármol).

Los depósitos no consolidados se clasifican según el proceso de

deposición (agua, glaciares, viento, descomposición)

Los depósitos no consolidados forman acuíferos importantes.

Algunos términos usados en Geología


Los datos que interesan al planificador son:

.Resistencia de la roca y suelos para plantear estructuras

que requieran una buena cimentacion

.Caracteristicas de la roca y suelo para ubicar y proyectar

volumenes de materiales de construccion destinados a la

presas, Bocatomas, otras obras hidraulicas

.Caracteristicas de los acuiferos presentes.

Que datos nos interesan de la Geologia?


Caso de la Laguna Arhuaycocha


BOQUILLA DE LA LAGUNA ARHUAYCOCHA


Cola con frontis del Nevado en la Laguna

ARHUAYCOCHA


Material de la Morrena frontal de Laguna

ARHUAYCOCHA


LITOLOGIA


LITOLOGIA


Qr al Depósitos Aluviales

Qr ml Depósitos Morrenas

Kti- gr Intrusivos Graniticos Dioritas

Js- Chic Formacion Chicama, Areniscas

Qr col Depósitos Coluviales

GEOMORFOLOGIA


GEODINAMICA


GEODINAMICA


Remanente de erosion

Derrubios

Conos aluviales

Depositos de remosion de masas- solifluxion

Depositos de nieve

escarpas

Depositos morrenicos

Escurrimiento superficial

GEOLOGIA LOCAL DE ARHUAYCOCHA



Js- Chic Formacion Chicama, Areniscas

Qr ml Morrenas laterales

Qr al Depósitos Aluviales


Qr dgl Depósitos glaciares

Qr mf Morrenas frontales

GEOLOGIA LOCAL DE ARHUAYCOCHA


26



Qr ml Morrenas laterales





INVESTIGACIONES GEOFISICA

. Son Investigaciones de rápida ejecución y relativo bajo costo cuando se

trata de áreas pequeñas.

. Los parámetros geotécnicos posibles de obtener por correlación a

partir de las investigaciones geofísicas, necesitan ser calibrados con

sondeos o c alicatas ejecutadas para este fin.

. Existen varios métodos geofísicos que se aplican según sea el caso:

Perfiles de resistividad geoelectrica (permiten definir el tipo de suelo

atravesando con la onda, el nivel freático, fallas, cavernas, canales de

filtración de agua, porosidad y permeabilidad de los suelos)

Velocidad de onda del método de refracción sísmica (detectan la

profundidad de alteracion de la roca, localización y orientación de fallas

o canales de filtración)

Metodos gravimétricos que son utiles para detectar vacios en la roca

como las cavidades carsticas en calizas rellenas de arcillas o agua.


INVESTIGACIONES DEL SUBSUELO

. Se realizan en profundidad, recurriendo a sondeos mecanicos o

calicatas excavadas.

. Los sondeos pueden ser realizados en material suelto o en roca.

. En los dos tipos de suelos y roca los sondeos permiten:

Extraccion de Testigos de rocas o muestras alteradas o inalteradas de

suelos, para ensayos de laboratorio y su clasificacion.

Insertar implementos especiales para la observacion directa del sub

suelo (camaras, video camaras, diversos instrumentos que permitan

por ejemplo, la identificacion de los suelos, o la orientacion de las

discontinuidades)

Insertar implementos para la investigacion indirecta del sub suelo como

sondeos de calibracion geofisica.

Ensayos in situ de permeabilidad (Lugeon en roca y Lefranc o de

bombeo en suelos)

Determinacion de la deformabilidad y la absorcion de la lechada en

roca, deformabilidad y resistencia a corte en suelo.

Determinacion del nivel freatico


EVALUACIONES GEOTECNICAS

AREA DE IMPLANTACIÓN DE LA PRESA

A) Terreno Superficial en la Zona de Cimentación

Mediante calicatas para exploración visual, toma de muestras y ensayos

“in situ”

B) Terreno Profundo y Basamento Rocoso

Mediante perforaciones a percusión o rotativas para toma de muestras

continuas y ensayos especiales (SPT, permeabilidad, etc)


EVALUACIONES GEOTECNICAS

ÁREAS DE PRÉSTAMO Y CANTERAS DE ROCA

A) Áreas de Préstamo

De material impermeable (calicatas regularmente distribuídas)

De materiales permeables para rellenos, filtros o agregados p. concreto

B) Canteras de Roca

Mediante voladuras (para protección de taludes exteriores de la Presa)


ENSAYO DE PERMEABILIDAD EN ROCA

POR EL MÉTODO LUGEON (tanto en

retroceso como al avance)

ENSAYO DE PERMEABILIDAD EN SUELO POR

EL MÉTODO LEFRANC CARGA CONSTANTE

El método Lefranc se utiliza cuando el tramo de prueba

se encuentra bajo el Nivel Freatico, caso contrario se

debe usar el método Nasberg

Perforaciones diamantina


LABORATORIO DE MECÁNICA DE SUELOS

LABORATORIO DE CAMPO

Solo para ensayos de clasificación (SUCS),

humedades y densidades naturales,

compactaciones Proctor y preparación de

muestras representativas (alteradas e inalteradas

para su envío al Laboratorio Central)

LABORATORIO CENTRAL

Implementado para realizar en las muestras

representativas recibidas todos los ensayos

estándar y especiales, que sean requeridos para

el diseño de la Presa


Limites de consistencia o limites de

ATTERBERG

Se utilizan para caracterizar el comportamiento de

los suelos finos, aunque su comportamiento varía a

lo largo del tiempo.

Los ensayos se realizan en el laboratorio para

medir la cohesión del terreno y su contenido de

humedad.

Siguiendo estos procedimientos se definen tres

límites:

1.Límite líquido (LL): Cuando el suelo pasa de un

estado plástico a un estado líquido. Se utiliza la

cuchara de Casagrande. Un surco que previamente

recortado en una longitud de 12 mm (1/2") se cierra

luego de 25 golpes. La humedad del suelo razón

peso de agua/peso de suelo seco, corresponde al

límite líquido

2.Límite plástico (LP): Cuando el suelo pasa de un

estado semisólido a un estado plástico. Se mide el

contenido de humedad para el cual no es posible

moldear un cilindro de suelo, con un diámetro de

3 mm

De 1. y 2. se obtiene el INDICE DE

PLASTICIDAD, IP. IP = LL – LP

Clasificación secundaria de

suelos. . En los análisis de los suelos el tamaño de las

partículas es insuficiente para una

clasificación completa de los suelos con granos

finos o de los suelos con granos mas gruesos

cuando incluyen una proporción de finos

plásticos, es decir, arcillas.

. Es necesaria una clasificación secundaria

basada en el grado de plasticidad utilizando los

limites de consistencia que se expresan en

función del porcentaje del contenido de masa de

agua.

La clasificación secundaria se determina

utilizando la información de LL, LP e IP.

LIMITE LIQUIDO, LL

LIMITE PLASTICO, LP

INDICE DE PLATICIDAD, IP

No recomendable

para Presas

LL para minerales de arcilla puede variar desde 50 para la caolinita a

60 para la ilita. La caolinita e ilita exhiben LP medio de 25 a 35,

mientras la montmorillonita puede tener LP de 100 (en Soil Mechanics

Basic Concepts and Engineering Application. Aysen, A. 2002).

El índice de plasticidad es útil en la clasificación ingenieril de suelos

de grano fino y muchas propiedades de ingeniería se han

correlacionado de forma empírica con este. Un suelo con un IP = 2

tiene una gama muy estrecha de plasticidad, por el contrario, un suelo

con un IP = 30 tiene características plásticas muy elevadas.

RESULTADOS REQUERIDOS PARA EL DISEÑO DE

LA PRESA

. Resultados Granulométricos

. Indice de Plasticidad

. Limite Liquido

. Limite Plastico

. Densidad Seca

. Densidad Saturada

. Cohesion efectiva

. Cohesion Total.

. Angulo de friccion efectivos

. Angulo de Friccion Totales



RESULTADOS DE LABORATORIO A CONSIDERAR

Zona de la Presa Resistencia al Corte

y PERMEABILIDAD

Terreno de la UU CU CD Ɣh Ɣsat

Cimentación c ø c ø c' ø' c' ø' Kh Kv

Tn/m2 Grados Tn/m2 Grados Tn/m2 Grados Tn/m2 Grados cm/seg cm/seg

Núcleo Impermeable 12.0 23.3 6.0 23.8 4.0 30.1 0.0 31.8 8.32x10-8 2.34 x 10-9 2.04 2.07

Filtro Fino 10.0 32.2 0.0 38.7 1.0 x 10-3 1.7 x 10-5 1.88 1.98

Filtro grueso, Transición 0.0 38.0 1.0 x 10-2 1.0 x 10-2 1.90 2.00

o Dren

Enrocado 0.0 43.0 1 1 2.30 2.35 *

Cimentación en el Suelo 18.0 29.3 15.0 30.9 12.0 37.4 0.0 1 x 10-4 1 x 10-5 2.06 2.18

Cimentación en roca 0.0 45.0 1 x 10 -3 1 x 10 -3 2.35 2.40

Ejemplo

TIPOS DE CIMENTACION

La cimentación de la presa comprende el lecho del cauce así como los

estribos. La cimentación debe proporcionar apoyo estable para el

cuerpo de la presa en condiciones de saturación y diferentes cargas

actuantes; así como tener una elevada resistencia a la filtración para

evitar una pérdida excesiva de agua.

Las cimentaciones se pueden clasificar en 3 tipos:

b.1 Cimentación de roca.

b.2 Cimentaciones grava y arena.

b.3 Cimentaciones de limo y arcilla.

Existe un cuarto tipo representados por los depósitos fluvioglaciares,

fluvioaluviales, coluviales, aluviales. Compuestos por lentes

interestratificados o estratos irregularmente estratificados compuestos

por capas de arena, arcilla, arena fina, gravas de extensión y espesor

variables.


TRATAMIENTO DE LA CIMENTACION

• El tratamiento mínimo para cualquier cimentación consiste en

la limpieza del área de cimentación de la capa superficial

orgánica y otros materiales inadecuados y si la capa

superficial es relativamente delgada, se limpia hasta la roca

fija.

• Cuando no se emplee un dentellón, siempre debe proyectarse

una zanja para unir la zona impermeable del cuerpo de la

presa a la cimentación. El ancho mínimo es de 6.0 m.


TRATAMIENTO DE LA CIMENTACION


CIMENTACION EN ROCA

. El principal problema que afecta las

cimentaciones de roca, son las filtraciones que

ocurren a través del sistema de grietas,

diaclasas, planos de estratificación y planos de

fallas.

. Las medidas correctivas que se adoptan para

disminuir el flujo de agua a través de la

cimentación son:

Construcción de un colchón

impermeable aguas arriba del pie de

presa.

Pantalla de inyecciones de una sola

línea.

Las inyecciones por su costo deben

aplicarse para casos específicos cuando

se tengan altas filtraciones y no se pueda

construir un colchón o blanket

impermeable.


A. Problemas en cimentaciones de grava y arena

• Pérdidas significantes de agua a través de la cimentación.

• Fenómenos de tubificación.

• Fenómenos de Licuación de arenas limpias saturadas (generalmente

finas y uniformes) con una densidad relativa menor de 50%, determinada

por ensayos SPT.

PROBLEMAS EN LA CIMENTACION EN

GRAVA Y ARENA

42


GRAVA Y ARENA B. Magnitud de las filtraciones

subterráneas

La magnitud de las filtraciones subterráneas se

estima aplicando la fórmula de Darcy.

Q = K i A

Donde:

Q=Volumen en m3/seg y por metro de presa.

K=Coeficiente de permeabilidad obtenido con

ensayos de campo, m/seg.

i =Gradiente hidráulico = h / L ; h es la carga

hidráulica del reservorio; l es la trayectoria del flujo.

A=Area bruta de la cimentación a través de la cual

ocurre el flujo.

I = h / L ; A = Z x 1 = Z ( m 2 )

Q = K h Z / L m3 / seg / m.

h

Caudal de

filtracion

Area

Transversal al

flujo

A= Z x 1

Trayectoria del

flujo



GRAVA Y ARENA C. Fuerza de Filtración

. La fuerza de subpresion

aumenta el peso sumergido WS.

. A mayor fuerza de mayor por

incremento de la velocidad del

flujo.

. La fuerza de filtración tiende a

levantar el suelo. Si la Fuerza de

subpresion es mayor que el peso

del suelo entonces la erosión

progresaría hacia atrás a lo

largo de la línea de flujo,

permitiendo la salida del agua

almacenada y la falla de la

presa, produciendo el

fenómeno de tubificación.



GRAVA Y ARENA

C. Tubificacion

Existen dos tipos de falla por tubificación:

1.- La falla ocurre por un levantamiento repentino

de la cimentación en el pie aguas abajo de la

presa y generalmente ocurren en la primera vez

que se llena el vaso.

2.- La falla ocurre por un proceso lento y

acumulativo de erosión subterránea, después

que la presa ha estado en servicio un tiempo.

Como es difícil determinar cuando una tubificación

va a producir falla, se recomienda proyectar la

estructura para que no se produzca la tubificación.


TRATAMIENTO EN LA CIMENTACION EN

GRAVA Y ARENA El tratamiento de las cimentaciones permeables se realiza

mediante:

Dentellones de arcilla

1.- Cuando la profundidad del basamento rocoso sea de pocos

metros, es recomendable detener las filtraciones de la

cimentación permeable por medio de un dentellón que llegue

hasta el basamento rocoso u otro material impermeable.

2.- Los dentellones deben localizarse a una distancia de la línea

central de la presa, asegurando que la resistencia del material

impermeable correspondiente al núcleo de la presa, sea cuando

menos igual a la resistencia ofrecida por el dentellón.

El ancho de la zanja del dentellón está dado por la fórmula:

B = H – Z

Donde:

B= Ancho del fondo de la zanja del dentellón

H=Carga hidráulica del reservorio

Z=Profundidad de la zanja del Dentellón bajo la

superficie del terreno.



GRAVA Y ARENA …sigue Dentellon de Arcilla

• El ancho mínimo B es 5 m. para

permitir la operación del equipo

mecánico.

• En el caso que los dentellones no

alcancen el material impermeable por

razones económicas, se pueden

construir dentellones de arcilla

parciales, pero deben tenerse en

cuenta lo siguiente:

Un dentellón que se profundice el 50 % de la

profundidad del estrato permeable,

solamente reducirá el 25% de las

filtraciones. Para reducir el 50% del volumen

de filtraciones es necesario profundizar

hasta el 80% de la profundidad del estrato

permeable.

Un dentellón parcial puede ser efectivo

estratos superficiales permeables de una

cimentación interestratificada. 47


GRAVA Y ARENA

•Blanket de material impermeable

.Es una capa construída como una prolongación de la zona impermeable de la presa,

hacia el lado aguas arriba. El blanket o colchón se usa cuando el espesor del material

permeable hace antieconómico llevar el dentellón hasta la roca o material impermeable.

. Se emplean también combinados con dentellones parciales.

.Son efectivos para disminuir el volumen de las filtraciones, pero no se puede confiar que

reducirán completamente las fuerzas de filtración y evitar las fallas por tubificación.



GRAVA Y ARENA

•Blanket de material impermeable

.El espesor del blanket se puede considerar el 10% de la carga hidráulica sobre este, con

un espesor mínimo de 1.00 m.

.La longitud será calculada considerando el porcentaje de disminución de pérdidas de

filtración que se desea obtener. La mejor manera de calcular la longitud de un blanket será

por tanteos, trazando redes de flujo con diferentes longitudes y determinando la extensión

del blanket que permita obtener la filtración deseada.

. También, la longitud del Blanket se obtiene aplicando la fórmula de Dachler y

Cambefort.

D

BBKoH

Qo1

88.0

1

Donde :

Q o=Gasto de filtración m3/seg

Ko=Permeabiliad m/seg. (depósito permeable)

H=Carga agua embalse, m.

B=Ancho de la presa, m.

B1=Longitud del colchón impermeable, m.

D=Espesor del depósito permeable, m.


Filtros y Blanket de drenaje:

. Se colocan aguas arriba de la cimentación permeable con el objeto de permitir

la descarga de las filtraciones y controlar la ocurrencia de fallas por tubificación.

. Se incluyen Blanket horizontal de drenaje en los siguientes casos:

Cimentaciones permeables relativamente homogéneas que no tienen

dentellones efectivos de arcilla.

Cimentaciones permeables cubiertas por capas delgadas impermeables.


GRAVA Y ARENA


Drenes de talón y zanjas de drenaje

Tienen la función de recoger y evacuar el agua de filtración captada por el blanket permeable a través de

un tubo de descarga exterior. Los drenes son tubos de 6” de diámetro mínimo.

Pozos de drenaje

Se emplean cuando el espesor de la capa impermeable sobre suelos areno-gravosos es menor que la

carga h del reservorio.

Para evitar la ocurrencia de fenómenos de erosión interna se recomienda que la profundidad de los

pozos debe ser igual a la carga hidráulica del reservorio.

TRATAMIENTO EN LA CIMENTACION EN GRAVA Y ARENA

51


LIMO Y ARCILLA

La solución más práctica para las cimentaciones

de limo y arcilla saturadas es diseñar presas con

taludes más inclinados, con el propósito de

aumentar la superficie de deslizamiento, y

disminuir los

esfuerzos cortantes que actúan en ella, para

incrementar el factor de seguridad contra

deslizamiento.

Materiales

Teniendo en cuenta los materiales disponibles, el

proyectista debe estudiar varias secciones de

presas considerando la inclusión de los suelos

que podrían explotarse para la construcción.

El diseño de la estructura así como el análisis de

los costos para cada caso, permitirá seleccionar la

alternativa económica.



LIMO Y ARCILLA

Por ejemplo, si se tienen dos tipos de

materiales para conformar la estructura de la

presa: una arena arcillosa y un limo de baja

plasticidad; el ingeniero proyectará una

sección homogénea con la arena arcillosa,

considerando un filtro en el pie del talud aguas

abajo, lo cual debe dar a la estructura una

aceptable estabilidad, si se asume que la

cimentación es una roca sana poco agrietada.

De otro lado el proyecto de la presa

considerando el limo de baja plasticidad debe

tener un filtro vertical unido a otro en la base,

dado que este material es susceptible a la

tubificación.


http://www.google.com.pe/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=SNqnr61AvxL8JM&tbnid=30ACpQLtDBLSGM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.thehouseofblogs.com/articulo/561323.html&ei=5fcNVJHWN8_JggSy3IGoCw&bvm=bv.74649129,d.cWc&psig=AFQjCNE-WRQtZ529c17y_Dsd34sPlGRxCg&ust=1410287731440230

RESUMEN DE LOS TIPOS DE CIMENTACION Y

SOLUCIONES


PRESA DE ENROCADO CON NÚCLEO IMPERMEABLE DE ARCILLA

Ataguía MI

Fuente: Marsal

55

PRESAS DE TIERRA, Tipo Homogénea

Fuente: Marsal

56

de inspección y drenaje

o coronamiento

del coronamiento

Tierra Compactada (semipermeable)

mínimo

Presa desde su cimentación

más Rip Rap

más grama

Núcleo

o filtros gruesos o dren

finos

NAMO: Nivel Máximo Ordinario; NAME: Nivel Máximo Extraordinario; NAMI: Nivel Aguas Mínimas

Z = Altura máxima de la presa desde el cauce

del río

h = Altura máxima de agua en el reservorio

57

PRESAS DE TIERRA, Tipo Zonificada

GEOLOGIA DEL PROYECTO DE PRESAS

YANACOCHA


GEOFISICA

59

GEOLOGIA

60

UBICACIÓN DE CANTERAS

61

Gracias por su atención.


6 Unidad 2 Geologia Geotecnia

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