Capitulo V

MUNICIPALIDAD PROVINCIAL DE SUCRE – QUEROBAMBA FONIPREL

CAPITULO V

GEOLOGIA Y GEOTECNIA

1.0 GEOLOGIA – CONDICIONES GEOLOGICAS REGIONALES

1.1 GEOMORFOLOGIA

Geologia RegionalEn la zona del proyecto, a nivel regional y conforme al cuadrángulo de Querobamba, carta N° 29-O, publicado por Ingemmet, afloran rocas desde el paleozoico hasta el cuaternario reciente y cuya descripción es como sigue:

Granito Querobamba( Pi-gr):Es un extenso macizo plutónico que infrayace discordantemente al Grupo Mitu. Litológicamente es un granito de color blanco rosado de textura granular constituido por ortosa, plagioclasa, cuarzo y horblenda y se halla fuertemente tectonizado y fracturado. La edad de este plutón es del Permiano Inferior y es visible en la toda la quebrada de Sondongo y ambas márgenes del río Pampas.

Grupo Barroso ( Op-ba)La serie volcánica presente en la zona la serie está conformada por un conjunto de derrames lávicos y piroclásticos que se encuentran forma horizontal o levemente inclinados. La secuencia lávica está conformada por: tobas, brechas, aglomerados, cenizas, debajo del cual se tiene rocas riolíticas, traquíticas y andesitas.

El Grupo Barroso se halla suprayaciendo al Granito de Querobamba y se le asigna una edad Plioceno Superior.

Cuaternario:El cuaternario está representado por material morrénico, aluviales y coluviales.

Los depósitos morrénicos han sido originados por la actividad glaciar del cuaternario y se encuentran cubriendo la parte alta de la planicie, hacia el SE de Querobamba.

Los depósitos aluviales, están constituidos por rocas redondeadas, gravas, arenas y arcillas y se hallan en el fondo de las quebradas por donde discurre el agua como son el de río Cabracancha, Sondongo y el Pampas.

Proyecto Construcción Sistema de Irrigacion Integral Tomacucho en el distrito de Querobamba, Provincia de Sucre-Ayacucho.

Fecha: Junio de 2010


Los depósitos coluviales, están conformados por rocas angulosas de litología y tamaño variable, englobados en una matriz de limos y se encuentran mayormente al pie y ladera de los cerros.1.2 LITOESTRATIGRAFIA

Geología LocalEn el área de la presa como son los flancos de del cauce del Río Cabracancha y el fondo de la quebrada, se ha realizado el mapeo geológico correspondiente, encontrándose los siguientes aspectos geológicos:

a.- Aspectos litológicos.El margen derecho donde se apoyará la presa, está constituido en la base por un afloramiento rocoso de roca volcánica, denominado riolita (Grupo Barroso) de color beige que se presenta en bloques verticales, hacia la parte superior se tiene toba dacítica de color blanquecino.

El margen izquierdo donde se apoyará la presa, también está conformado por roca riolita bastante compacto, que se presentan también en bloques más grandes. En la parte superior sigue una secuencia de toba dacítica de color blanquecino.

El fondo de la quebrada está cubierto por material aluvial, conformado por clastos redondeados de roca de tamaño y litología variada, arenas y gravas. Debajo de este material aluvial, debe continuar la roca volcánica.

b.- Aspectos estructurales.Las rocas del margen derecho, donde se apoyará la presa son riolitas que se hallan presentando una estructura fluida con numerosas vacuolas y debido al intemperismo han sido alterados, mostrando cavidades de tamaños desde algunos centímetros a metros (cuevas) y fracturas casi verticales con separación de 2 a 4 m. y con anchos de 2 a 5 cm. sin relleno. El conjunto se presentan masivos y en bloques, siendo la parte superior cubierto de materia vegetal.

Las rocas del margen izquierdo, tienen características similares, sin embargo los bloques son más grandes alcanzando hasta 6.0 m. las fracturas son abiertas de 3 a 8 cm. con dirección perpendicular a la quebrada y con buzamiento cercano a lo 90° y las cavidades en la roca son más pequeñas.

Ambos flancos adyacentes a la quebrada presentan un talud de 80° a 90° y alturas de 10 a 30 m.

c.- Aspectos geomorlógicos.




La superficie del terreno en el área de la presa es suave, con pendiente de 5 % a 10 %, presentando la quebrada una forma de “U” a causa de los flancos casi verticales y por donde discurre las aguas del Río Cabracancha.

Los márgenes superiores de esta quebrada constituye la penillanura de Querobamba, el cual al lado NW es cortado por la quebrada de Sondongo, originando un farallón de más de 100 m. de altura de roca volcánica que se apoya en el granito de Querobamba, en cambio al lado Este la pendiente es mayor, subiendo hasta conformar los cerros que se alinean en dirección Norte -Sur.

1.3 CONDICIONES DE SISMICIDAD

a.- Aspectos dinámicos.Por los rasgos geomorfológicos descritos y la ausencia de rasgos geodinámicos negativos, en el área tanto del vaso como de la presa no se presentarán fenómenos de geodinámica externas tales como: deslizamientos, aluviones, asentamientos y desplomes de roca.

En lo referente a la geodinámica interna, como es el caso de movimientos sísmicos, que puedan dañar la estructura del puente, según registros de los últimos 20 años, en la zona los sismos se han presentado con una magnitud de 5, que corresponde a una zona de sismicidad media.

2.0 TRABAJOS GEOTECNICOS

Los afloramientos rocosos que se exponen en ambas márgenes del Río Cabracancha, forman parte del macizo volcánico que se extiende en toda la zona de Querobamba cuyo espesor visto en el Farallón sobrepasa los 100 m. Debajo de este volcánico se tiene el Granito de Querobamba.

El fondo de la quebrada está conformado por material aluvial, constituido por clastos redondeados de roca mayormente conformado por granito, en menor proporción por, basaltos, traquitas y tobas: Los materiales de menor tamaño son las arenas y gravas. Todo este material ha sido acarreado desde sus orígenes de la quebrada Cabracancha por las aguas en temporada de lluvias y al acumularse en ambas márgenes han formado pequeñas terrazas.

De acuerdo a la evaluación geomecánica tanto en el lado derecho e Izquierdo donde se apoyará la Presa, se tiene el siguiente resultado:




TRAMO UBICACION RQD RMR Q CLASEDE ROCA

CONDICION (ROCA)

Lado Der.Lado Izq.

Eje Presa Eje Presa

65 70

55 60

7 9

III III

Regular (Riolita) Regular (Riolita)

Nota: RQD: Indice de calidad de Roca RMR: Valor de la clasificación Geomecánica según Bieniawski Q : Indice de calidad de la masa rocosa.

Por otro lado los ensayos de las muestras rocosas tomadas del lado derecho e izquierdo en dirección del eje de la Presa se analizaron en el laboratorio de mecánica de rocas de la UNSCH han dado los resultados que se muestran en el anexo N° 1, del cual se puede decir lo siguiente:

La roca del margen derecho presenta una parte alterada con una densidad baja (1.86 gr/cm³), mayor absorción (9.01%), porosidad (15.22%). La roca del lado izquierdo tiene una densidad de 2.36 gr/cm³, absorción de 3.93%, porosidad de 7.74 %).

En ambos casos la presencia de microcavidades mostrada en la masa rocosa es el causante para una absorción considerable de agua, que durante el represamiento se saturará la roca adyacente a la presa, pero sin causar desprendimiento y/o desplomo de la roca. La resistencia de la roca volcánica (riolita) en el caso del lado derecho y de la parte alterada es 277.63 Kg/cm² por lo que se considera como roca media y del lado izquierdo es 872.45 Kg/cm², considerándose como roca moderadamente dura.

4 PROGRAMA DE INVESTIGACIÓN COMPLEMENTARIA PARA LA CONSTRUCCIÓN DE LA PRESA.

4.1 Objetivo y AlcancesEl estudio geológico del área de la presa, tiene por objetivo realizar las investigaciones en el mismo sitio de la presa, para reconocer las condiciones de la fundación y la ubicación de los materiales de construcción. Es decir, que el objetivo fundamental del estudio geológico del área de la presa y del vaso, es conocer la constitución de las fundaciones, estimar y evaluar sus propiedades geotécnicas, formular modelos geomecánicos que permitan analizar los problemas y efectuar el diseño respectivo, sea de la obra como de sus fundaciones. Así mismo, se plantea ubicar y caracterizar los materiales de construcción necesarios e identificar los problemas del embalse. Para su cumplimiento la geología, deberá guardar una relación estrecha con la




Mecánica de Suelos y la Mecánica de Rocas, para obtener las características y propiedades de interés al proyecto, como son las propiedades físico-mecánicas del terreno de fundación y de los materiales de construcción.

El terreno de fundación que se encuentra en estado natural, tal como se formó en la naturaleza, con todas sus heterogeniedades y defectos, que el estudio geológico tendrá que reconocer y definir sus propiedades, ubicándolo con suficiente certeza las zonas más críticas. Las propiedades del terreno de fundación pueden ser mejoradas sólo hasta cierto grado con los tratamientos del macizo rocoso de la fundación, lo que también requiere un conocimiento de la geología del área de presa y de vaso.

En resumen se puede afirmar, que la geología interviene en el área de la presa en lo que corresponde a la fundación y materiales de construcción, en el área del vaso y en las características locales y regionales.

4.2 Geología en la Zona de CerramientoLa geomorfología del área de cerramiento, está constituida por el borde natural de las riberas del rio Cabracancha, por donde tiene salida las aguas aprovechando el desnivel existente de forma de un cañon en ambas márgenes del rio. Está ubicada en el extremo Oeste del embalse, donde el riachuelo Cabracancha recorre de sur a Norte-Oeste, hasta llegar a la cuenca del rio Querobamba.

La litología corresponde íntegramente a la roca volcánica del grupo Barroso, de textura porfirítica, de aspecto masivo y de consistencia dura-resistente. Cubierta por un sedimento cuaternario de origen coluvial, que llega hasta 4.60 mts. de profundidad.

No presenta ninguna alteración, es una roca sana sin fracturamiento y sin porosidad, por lo que se comporta como un macizo rocoso impermeable. Esta última característica, lo demuestra la ausencia de filtraciones en las áreas bajas próxima a la zona de embalse. Desde el punto de vista de la geología de ingeniería, las rocas también deberán ser clasificadas en cuanto a su heterogeneidad, anisotropía y discontinuidades.

La estructura geológica es también importante, pues nos permite conocer las distribución y posición de las capas de las rocas (como dirección, buzamiento, pliegues, etc.), o las discontinuidades presentes en los macizos o capas rocosas (como fracturas, fallas, estratificación, esquistosidad, etc).




En el caso de que nuestra roca fuese inherentemente anisotrópicas, la existencia de planos de esquitosidad o de estratificación implicaría la existencia de planos de debilidad a lo largo de estas estructuras que pueden presentar menor resistencia y mayor permeabilidad. En cuanto que la compresibilidad, será menor cuando las fuerzas son aplicadas perpendicularmente a estos planos.

4.3 Geología en la Zona de VasoLa geomorfología del área de vaso, presenta la característica de un hoyo de forma alargada hacia el sur, con una profundidad promedio de 18 mts. a partir del nivel del agua que se ha proyectado, la misma que presenta una hoyada, y que no permite alcanzar mayores alturas con la construcción de la presa, aprovechando la forma natural que presenta el vaso. La pendiente de las paredes de la zona de embalse y gran parte de las paredes donde se embalsara ofrecen estabilidad y seguridad, ya que es la continuación de la misma estructura rocosa del fondo del vaso. Además, existe rasgos o evidencias que en los tiempos geológicos la zona de embalse ha alcanzado mayores alturas, que en el proceso de la desglaciación tuvo que haber sufrido un colapso de las partes altas de la cuenca de embalse.

Al igual que en la zona de cerramiento, la litología corresponde íntegramente a una estructura de la roca corresponde a una Riolita, que es una roca volcánica de textura porfirítica, de aspecto masivo y de consistencia dura-resistente; no tiene recubrimiento de materiales cuaternarios. Es una roca sana carente de alteraciones, fracturamientos y porosidades, por lo que se comporta como un macizo rocoso impermeable. Esta última característica física lo sustenta la ausencia de filtraciones en las partes bajas próximas a la represa de Tomacucho.

4.4 Estudios de Sismicidad en la Zona del ProyectoSegún los análisis sismotécnicos, existen en el mundo dos zonas muy importantes de actividad sísmica conocidas como: El círculo Alpino Himalayo y el Círculo Circum Pacífico. En esta última zona han ocurrido el 80% de los eventos sísmicos, quedando el 15% para el círculo Alpino Himalayo y el 5% restante se reparte en todo el mundo.

La fuente básica de datos de intensidades sísmicas, es el trabajo de Silgado (1978), que describe los principales eventos sísmicos ocurridos en el Perú. Del Mapa de Zonificación Sísmica y de acuerdo a las Normas Sismo-Resistentes del Reglamento Nacional de Construcciones (RNC) y del Mapa de Distribución de Máxima Intensidades Sísmicas observadas en el Perú, basadas en




isosistas de sismos peruanos y datos de intensidades puntuales sismos históricos y sismos recientes; se concluye que de acuerdo al área sísmica de la Provincia de Sucre del Departamento de Ayacucho, existe la posibilidad de que ocurran sismos de intensidades intermedias, es decir que se encuentra localizada en la zona de sismicidad media. (ver fig. “Mapa de Distribución de Máximas Intensidades Sísmicas” y “Mapa de Zonificación Sísmica del Perú” adjunto).

4.4.1 Resultado del EstudioLa investigación geológica que consistió en la identificación de los rasgos geológicos en el macizo rocoso, fueron agrupados como geoestructurales, litológicos y geodinámicos, con los que se determinaron la ausencia de los fallamientos y fracturamiento, se identificó el material rocoso y sus propiedades físicos-mecánicas, así como los fenómenos de intemperismo y deslizamientos que pueden tener cierta importancia en la estabilidad de las paredes del vaso.

Las investigaciones geológico-geotécnicas se complementarán por diferentes tipos de pruebas de laboratorio y de campo, como son la apertura de calicatas o pozos de inspección, muestreo de materiales inalteradas, pruebas de pérdida de agua, permeabilidad entre otros; con el objeto de definir las características y propiedades geotécnicas del macizo rocoso de fundación, de acuerdo a las necesidades del diseño. Fundamentalmente, la investigación geológica se ha preocupado en identificar la roca de fundación, tanto en la zona de presa como en la de vaso. Para el cumplimiento de este objetivo, se ha muestreado en las calicatas estratégicamente ubicadas de ambas zonas, obteniéndose muestras representativas de roca para el reconomiento macroscópico y microcóspico. Estableciéndose los siguientes resultados:

Zona de Eje Derecho de la presaa.- Generalidades.-

Nombre : RiolitaOrigen : VolcánicoCaracterísticas : MasivaTextura : PorfiríticaColor : Blanco gris a blancoConsistencia : Dura, resistente Alteraciones : No presenta ninguna Fracturamiento : Intacta, roca sana




b.- Composición Mineralógíca Plagioclasa Sódica : Na (Al Si3 O8), color blancoCuarzo : SiO2, transparenteOtros minerales : Colores claros

c.- Propiedades FísicasDensidad (gr/cm3) : 1.86Absorción ( % ) : 9.01Porosidad (%) : 15.22

Zona del Eje izquierdo de la presaa.- Generalidades

Nombre : RiolitaOrigen : VolcánicoCaracterísticas : MasivaTextura : PorfiríticaColor : Gris blancoConsistencia : Dura, resistenteAlteraciones : No presenta ninguna Fracturamiento : Intacta, roca sana

b.- Composición MineralogicaPlagioclasa Sódica : Na (Al Si3 O8), color blancoCuarzo : SiO2, transparenteOtros minerales : Colores claros

c.- Propiedades FísicasDensidad (gr/cm3) : 1.96Absorción ( % ) : 7.05Durabilidad SO4 Na2 (%) : 4.30Porosidad (%) : 15.22

4.4.2 Evaluación de los Resultados del EstudioEl estudio geológico realizado en la zona de cerramiento y de vaso, especialmente en lo que respecta a la identificación y determinación de las propiedades físicas de las rocas, arrojan resultados favorables que se encuentran dentro de los limites de las Especificaciones Técnicas, del acuerdo a las Normas ASTM.

4.5 ESTUDIOS GEOTÉCNICOS4.5.1 Objetivos y Alcances

El estudio geotécnico tiene por objetivo, realizar las investigaciones para evaluar las condiciones de cimentación del macizo rocoso en la zona de




cerramiento como en la de vaso, determinando sus propiedades físico-mecánicas, así como su evaluación geomecánica.

Con la investigación geotécnica realizada en la presa y vaso, se han verificado que el macizo rocoso presenta buen comportamiento, no habiéndose detectado defectos propios generados por la acción erosiva de las aguas de la laguna, sobre las paredes rocosas del vaso. Así mismo se han observado fisuramientos en el macizo rocoso, pero que son fisuras superficiales, las mismas que se sugiere considerar en el presupuesto, el tratamiento de fisuras superficiales, para el descarte de colapso de la fisuras y perdida de agua del embalse.

Para conseguir estos resultados, se programaron la apertura de calicatas en las áreas de interés. Los estudios permitieron también verificar la presencia de coberturas coluviales en el área de presa, que llegan hasta 6.00 mts. de profundidad.

4.5.2 Aspectos GeneralesGeneralmente en todo proyecto de almacenamiento de agua, la obra más importante a concebir resulta siendo la presa. En el Perú se da casos en que la presa no es siempre una estructura expresamente diseñada y construida como obra de cierre del reservorio proyectado, si no que muchas veces se aprovechan las lagunas donde nacen muchos de los ríos de ambas vertientes de los Andes, como embalses regulados con fines de riego y/o generación de energía, haciendo trabajar sus cierres naturales, como presas sometidas anualmente a los consiguientes desembales y embalses propios del fin generado.

En este último caso se ubica el proyecto de nuestra investigación, que consiste en el almacenamiento de las aguas del rio Cabracancha, a través de la construcción de una presa, por donde discurre el riachuelo que desaparece en la profunda quebrada del río Sondondo.

4.5.3 Investigaciones de Campo4.5.3.1 Zona del eje de la represa.

Para determinar las características físico-mecánicas y geomecánicas del macizo rocoso de cimentación, se han aperturado 04 calicatas o pozos de inspección distribuidas conveniente en el eje de la presa, en las que se efectuaron el muestreo de materiales rocosos disturbados y no disturbados. Finalmente, las muestras representativas han sido enviadas al




Laboratorio de Mecánica de Rocas para los ensayos correspondientes.

4.3.1 Ensayos de Laboratorio (Geotécnicos)Los ensayos geotécnicos necesarios fueron realizados en el Laboratorio de Mecánica de Rocas de la Universidad Huamanga. Se cuenta con los certificados de cada ensayos.

4.3.1.1 Zona del eje4.3.1.1.1 Ensayos Stándard.

Macizo Rocoso- Densidad (gr/cm3)- Absorción (%)- Porosidad (%)Suelo (Cobertura superficial)- Análisis Granulométrico ASTM D-422- Limite Liquido ASTM D-4318- Limite Plástico ASTM D-4318- Humedad Natural ASTM D-2216-84

4.3.1.1.2 Ensayos Especiales.Macizo Rocoso- RQD de Deere(%)- RMR de Bieniawski- Q de Barton- Compresión Simple (Kg/cm2)- Módulo de Elasticidad (Kg/cm2)- Corte Directo (Ø , c )- Esfuerzo Cortante (Kg/cm2)

4.3.2 Resultados de los Ensayos In-situ y de Laboratorio.Propiedades Físicas

Muestra Densidad (gr/cm3) absorción (%) Porosidad (%)

DI

1.861.96

9.017.05

15.2215.22

Evaluación Geomecánica

Muestra NºR Q D (%) Deere

RMR Bieniawski

Q Barton

Tipo de Roca

D 93 80 45 I




I 91 8242

IEnsayos a la compresión Simple

Muestra NºCompresión Simple (Kg/cm2)

Observaciones

DI

277.63872.45

Ensayos de Propiedades ElásticasMuestra Nº

E x105 kg/cm2

V Observaciones

DI

2.822.79

0.280.27

E = Modulo de Elasticidad V = Coeficiente de Poisson

Corte DirectoMuestra Nº Ø (grados) c (kg/cm2) ObservacionesDI

28º30º

1.802.00

Ø = Angulo de fricción interna c = Cohesión

4.3.3 Perfiles EstratigráficosEn el item correspondiente a anexos, se incluye los perfiles estratigráficos de la zona de vaso y de Cerramiento.

4.3.4 Condiciones de la Cimentación (Análisis de la Cimentación)4.3.4.1 Cálculo de la Capacidad Portante

4.3.4.1.1 Zona del eje.La capacidad de carga admisible del macizo rocoso, se determinó en base a la Fórmula de Terzaghi y Peck (1967). La capacidad última y la capacidad admisible de carga están dadas por las siguientes expresiones :

q ult. = c Nc + Df Nq + 0.4 B N

q ult q adm. = ------- FS




Donde:q ult. = Capacidad última de carga (Kg/cm2)q adm. = Capacidad de carga admisible (Kg/cm2) c = Cohesión de la roca (Kg/cm2) = Peso unitario efectivo de la roca (gr/cm3)Df = Profundidad de la cimentación o desplante (m.)B = Ancho de la zapata (m.)Nc, Nq, N = Coeficientes de capacidad de carga f(Ø)FS = Factor de seguridadØ = Angulo de fricción interna de la roca.Las ecuaciones siguientes, son expresiones para determinar los factores de capacidad carga que dependen de Ø.Nc = 5tg4 (45º + Ø/2)Nq = tg6 (45º + Ø/2)N = tg6 (45º + Ø/2)-1El macizo rocoso de fundación consiste en:Estructura : Macizo rocoso.Origen : Volcánico.Nombre : Riolita.Consistencia : Dura-resistente Para el cálculo de la Carga Admisible del macizo rocoso, se consideró los resultados de los ensayos de laboratorio de Mecánica de Rocas y son los siguientes: Peso unitario de la roca (gr/cm3) : = 1.86 Angulo de fricción interna : Ø = 28º Cohesión (Kg/cm2) : c = 1.80 Profundidad de cimentación (m.) : Df = 0.80 Ancho de la zapata (m.) : B = 2.40 Factor de seguridad : FS = 5El Factor de seguridad FS, es variable para los macizos rocosos, con un valor mínimo de 5 para aquellos con RMR cercano a 100 y un valor máximo de 10 para aquellos con RMR cercano a 30. Los factores de capacidad de carga para Ø = 28º, presenta los siguientes valores: Nc = 25.80Nq = 14.72N = 11.19




Con los que se obtiene la siguiente capacidad portante admisible:

Recomendándose diseñar las estructuras de cimentación con una capacidad portante mayor o igual que 6.00 Kg/cm2, debido a la naturaleza rocosa que presenta el terreno de fundación.

5.0 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.

a.- El área de la Represa Tomacucho se ubica en la Quebrada de Cabracancha, donde se observa la presencia de rocas volcánicas del Grupo Barroso y depósitos cuaternarios conformados por material morrénico y aluvial.

b.- El vaso de la Represa Tomacucho se emplaza sobre un fondo de material aluvial, cuyo espesor se estima entre 5 m. a 10 m. debajo del cual debe encontrarse roca volcánica y los flancos derecho e izquierdo están constituidos por roca riolítica, con fracturas verticales y aberturas de hasta 0.20 cm..

c.- La Presa se apoyará lateralmente en roca volcánica (riolita) tanto en el lado derecho como izquierdo y que es parte de la quebrada Cabracancha.

d.- Los parámetros geotécnicos obtenidos a partir de la evaluación insitu y de pruebas de laboratorio, indican que la roca del lado izquierdo tiene buenas condiciones geotécnicas para resistir la carga transmitida por la represa. El lado derecho luego de extraerse la parte alterada, tiene iguale condiciones de resistir la carga transmitida por la represa.

e.- La roca alterada del lado derecho deberá ser extraída hasta encontrar la roca fresca, en cambio la roca del lado izquierdo será excavada unos 20 cm. en las partes que presente alteración.

f.- Las fracturas existentes en la roca volcánica en ambos lados de la quebrada, serán sellados con mortero de cemento, hasta una altura que sobrepase el nivel de almacenamiento de agua en la presa, cuando la abertura sea menor a 0.10 m. y de ser mayor se construirá pantallas de concreto que cubra dicha abertura.

g.- La zanja de cimentación del Dique a construirse en material aluvial, debe tener una profundidad mínima de 3.0 m. y ancho según diseño.



q adm. = 10.20 Kg/cm2




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