Puntales de soporte en la Galería de Oscilación de la Central Hidroeléctrica Ing. Alfredo Elías Ayub, México (C.H.LaYesca)

Support Struts on Ing. Alfredo Elías Ayub hydroelectric oscillation gallery, México

Raymundo PADUA1, Rigoberto RIVERA2, Humberto MARENGO3, Cristhian BALMACEDA4

1,3,4Comisión Federal de Electricidad (CFE), Ciudad de México, México.

2Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), Facultad de Ingeniería, Ciudad de México, México.

RESUMEN: Se describe la solución adoptada para la estabilización de las paredes de la Galería de Oscilación de la C.H La Yesca, construida por la CFE y puesta en operación en el año 2013, la cual fue excavada en caverna en condiciones geológicas adversas, cuyas dimensiones fueron de 62.50 m de altura, 16.00 de ancho y 62.50 m de largo. La solución consistió en la instalación de 26 puntales de concreto prefabricados cuya finalidad fue la de contener los empujes a largo plazo de cuñas de roca potencialmente inestables. En este trabajo se presenta el modelo de comportamiento adoptado, el ingenioso método de colocación y sistema de conexión de los puntales con los muros de revestimiento de la caverna así como con las pilas que conforman la estructura de deslizado de compuertas del desfogue, lo que permitió el colado ininterrumpido tanto de muros como de pilas mediante cimbra deslizante. Finalmente, se analiza el comportamiento de los puntales, tomando como base los resultados de las mediciones de la instrumentación colocada en dichos elementos, a dos años de su construcción.

ABSTRACT: It is described the adopted solution in order to the wall stabilization on the hydroelectric “LA YESCA” oscillation gallery built by CFE and put into operation on 2013, which was Cavern excavated in adverse geological conditions their dimensions were 62.50 m. height 16.00 m. width and 62.50 m. long. The solution was 26 prefabricated concrete struts installation whose purpose was to contain long-term potentially unstable rock wedges thrusts. On this paper it is presented the adopted behavioral model, the ingenious method of placement and connection between the lining cavern walls as well as the sliding gates structure piles of tail-raice, allowing uninterrupted pour of struts and walls by slipform, Finally it is analyzed the struts behavior based on instrumentation outcomes placed in these elements two years away from its construction.

1 INTRODUCCIÓN

El Gran Proyecto Hidroeléctrico La Yesca, es la segunda presa de enrocamiento con cara de concreto más alta del mundo con una altura de 208.50 m, localizada en las coordenadas geográficas 21°11’49” de latitud Norte y 104°06’21” de longitud Oeste, construida sobre el río Santiago entre los límites de los estados de Nayarit y Jalisco, México, cuyo objetivo es el de generar energía eléctrica, aportando una generación media anual de 1210 GWh.

Las obras subterráneas de generación localizadas en la margen derecha del proyecto son: Túneles de Conducción, Casa de Máquinas, Túneles de Aspiración, Galería de Oscilación y Túnel de Desfogue. La Galería de Oscilación se localiza entre el Túnel de Aspiración y el inicio del Túnel de Desfogue, es una estructura con muros y losa de piso de concreto reforzado y tiene como principal función amortiguar los efectos de un fenómeno transitorio que se produce durante un cierre rápido de las compuertas de la obra de toma o a la salida de operación de alguna unidad generadora.

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2 Título del trabajo

Figura 1. Niveles hidráulicos en la Galería de Oscilación

En la Figura 1 se indican las elevaciones del perfil hidráulico correspondientes a los diferentes escenarios de operación en la Galería de Oscilación, además se presenta únicamente la sección longitudinal. Estos escenarios de operación son detallados en la Tabla 1.

La plantilla de la Galería de Oscilación corresponde a la elevación EL. 372.12, teniendo la bóveda en la elevación EL. 433.50, La elevación máxima del perfil de agua alcanzará la elevación EL. 421.07.

Tabla 1. Niveles de operación - Galería de Oscilación.Escenario en Operación

Gasto Qm³/s

Elev. en la Galería de Oscilación(msnm)

Elev. en la salida del Túnel de Desfogue (msnm)

A. Baja (1 Ud.) 250 389.59 389.42B. Normal (2 Uds.) 500 391.29 390.72C. Inusual(2U. con Qmáx)

503 396.65 390.86

D. Accidental(2U. + QVert)

8058 416.37 410.46

E. Accidental(2. + Qmax Vert)

15 613 426.98 421.07

1.1 Condición GeológicaLa caverna de Oscilación quedó alojada en rocas

ígneas del tipo Ignimbrita de composición Dacítica Porfídica de la unidad litológica denominada Tmid, a lo largo de su eje la caverna está fuertemente afectada por fallas escalonadas y alabeadas entre las que destacan: Falla Pilar, Falla Escondida, Falla GO-1 y Falla S4.

En la Tabla 2 se indican las propiedades mecánicas de la roca Tmid y en la Tabla 3 se indican las características geológicas del sistema de fallas respectivamente.

Tabla 2. Condición Geológica.U.L(1) s(2)

MPa n(3) g(4)

kN/m3E(5)

MPaRMR(6) Q(7)

Tmid 77 0.2 24 6600 59 68

(1) Unidad litológica(2) Resistencia a la compresión MPa(3) Relación de Poisson.(4) Peso volumétrico kN/m³(5) Módulo de elasticidad MPa(6) Índice de calidad de la roca (Bieniawski 1973)(7) Q= Índice Q (Barton 1974)

La calidad de la roca se clasificó de regular a buena.

Con base en las propiedades mecánicas y características geológicas (véanse tablas 2 y 3) se calcularon las dimensiones y la carga de roca debida a la componente del peso propio de la cuña máxima formada por el sistema de fallas (ver figura 2). La carga máxima de roca estimada fue de, 176 MN, con echado desfavorable hacia la excavación, los análisis de estado límite y los primeros tratamientos de estabilización mediante anclaje de fricción son suficientes para lograr que la cuña alcance el equilibrio estático, es decir sin movimiento, sin embargo, bajo las condiciones de operación, en el instante en el que se alcancen los niveles máximos de agua en la galería, y aunado a los efectos de vibración de casa de máquinas, se espera la activación de la cuña de roca, con lo cual existirá un remanente de carga del orden de 107 MN.

Después de un análisis detallado, se determinó que la solución óptima era contener la cuña inestable a base de troqueles o puntales horizontales, transfiriendo el empuje de la cuña hacia la pared aguas abajo de la Galería de Oscilación, donde la roca no está afectada por la formación de cuñas y tiene propiedades mecánicas suficientes para resistir dicha fuerza.

Tabla 3. Propiedades mecánicas y geológicasSistema de

fallasΦ(1) c(2) a(3) β(4)

Pilar 30 0.04 N76°-81°E 40°-51° NW

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Figura 2. Condición Geológica

(sólo poner primer autor, ver ejemplo) APELLIDO Inicial del nombre et al. 3

Seudo-estratificación

39 0.01 N18°-28°W 44°-79°SW

Sist. de fallas y fracturas

- - N34°-65°E 81° - 83°SE

Falla GO-1 26 0.03 N33-55°W 41° -53°SWFalla S4 25 0.01 N40-47°W 41°-52° SW

(1) Ángulo de fricción Φ(2) Cohesión c en MPa(3) Rumbo(4) Echado2 CRITERIOS DE ANÁLISIS Y MODELACIÓN TRIDIMENSIONAL

Figura 3. Modelo I: Pilares, Puntales y Muro aguas abajo

Con base en las propiedades geotécnicas y las características geométricas de la Galería de Oscilación (ancho, largo y alto), se generaron dos modelos de comportamiento tridimensionales. A continuación se mencionan algunos de los criterios que se consideraron para su elaboración.

En el primer criterio de modelación (I) se propusieron los puntales de concreto armado, tomando en cuenta los requerimientos estructurales para la sección gruesa de los mismos lo que permitió avanzar en su diseño y construcción.

La geometría del primer modelo se analizó por medio de una malla de elementos finitos, ésta se realizó a escala real mediante el software SAP2000- V14 utilizando elementos tipo “Frame” para modelar los Puntales, elementos tipo “Shell” para modelar los Pilares de deslizado de compuertas de cierre en la pared aguas arriba, y elementos tipo “Shell” para modelar el Muro en la pared aguas abajo de la Galería de Oscilación donde se incluye una junta fría rellena con material de PVC para simular la zapata adosada al muro. Las propiedades geométricas y de los materiales se indican en las Tablas 4 y 5, respectivamente.

Tabla 4. Características geométricas (modelo I)Elemento Elemento

TipoAncho m Alto m Longitud

mPuntales Frame 0.80 1.10 11.40Pilares Shell 2.00 46.00 4.60Muro Shell 0.30 56.23 63.10

Zapata Shell 0.30 3.10 2.80

Las condiciones de frontera (apoyos) fueron las siguientes: el apoyo en la base de los Pilares se consideró articulado, es decir, restringiendo desplazamientos en sus tres direcciones ±X, ±Y ±Z, mientras que para los apoyos en el muro en la pared aguas abajo se asumió un apoyo elástico del tipo resorte (“Spring”) en dirección normal al plano -X que considera las propiedades de deformación del macizo rocoso, cuya constante de resorte se calculó empleando la siguiente ecuación:

(1)

Dónde: E = Módulo de elasticidad de la roca; 2B = Longitud menor de la zona del muro considerada como zapata; = Relación de Poisson de la roca.

En la base y en los costados del muro se asumieron apoyos del tipo articulado restringiendo desplazamientos en sus tres direcciones ±X, ±Y ±Z.

Tabla 5. Propiedades de los materiales que conforman la estructura y modelos I y II)

Material f´c, fyMPa n g

kN/m³E

MPaConcreto 24.52 0.20 23.54 23 271.19Acero de Refuerzo

ASTM A615M

411.88 0.30 76.972 196 133.00

Acero Estructural AST A36M

248.21 0.30 76.972 196 133.00

Para el diseño de la sección transversal de concreto del puntal , se consideraron las siguientes solicitaciones: la carga muerta correspondiente al peso propio del elemento; la carga por puntal adicional debido al criterio de montaje (bajo el supuesto de que el puntal colocado en la parte superior tendrá la capacidad de izar el puntal inmediato inferior), la carga viva por maniobras de montaje y la carga debido a la presión de roca determinada de acuerdo a las áreas tributarias correspondiente a cada puntal siendo ésta del orden de 4148.21 kN con un valor máximo de 6786.20 kN.

Para el diseño de los elementos de concreto se utilizó ACI 318S-08, y Comentarios, asumiendo la siguiente expresión como requisito básico para el diseño:

∅ Rn≥ U (2)

Dónde: Rn = Resistencia nominal; Φ = Factor de resistencia correspondiente a Rn; U = Resistencia requerida.

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K= E2B (1−ν2 )

4 Título del trabajo

Se consideraron las siguientes combinaciones de carga (U):

U=1.2D+1.6 Lp(3)

U=1.2D+1.6 LR (4)

dónde: D = carga por peso propio del puntal; Lp = carga por puntal adicional; LR = carga por presión de roca.

En el diseño del acero de refuerzo se consideró también que las barras longitudinales entre estribos no deben ser menores de 0.01 veces el área neta del concreto ni mayores de 0.08. La resistencia nominal del concreto se calculó con la siguiente expresión:

φ Pnmax=0.80ϕ [0.85 f ´ c ( A g−Ast )+f y A st ] (5)

Dónde: f´c = resistencia a compresión del concreto a los 28 días; Ag = área bruta de la sección transversal del puntal; Ast = área de acero de refuerzo suministrado; Φ = factor de reducción de resistencia (elemento sujeto a compresión).

Figura 4. Modelo II: puntal central, puntal lateral, ménsulas, cartabones y placas base.

El objetivo del modelo de comportamiento II fue la revisión del sistema de conexión, cuya geome-tría se modeló mediante una malla de elemento fi-nito a escala real, empleando el software SAP2000-V14. Se utilizaron elementos de tipo “Sólido” para modelar el puntal central y lateral y elementos del tipo “Shell” para modelar la placas de conexión, tal es el caso de las ménsulas y car-tabones que se unen a las placas base. Cabe re-saltar que la geometría de la placa base en la cara aguas arriba de la Galería de Oscilación se construyó por medio de una malla con geometría radial.

Las condiciones de frontera (apoyos) son las siguientes: la placa base en la cara aguas abajo fue restringida al desplazamiento en su dirección ±Z, ±Y y -X mediante ocho anclas de fricción y en la dirección +x fue restringida mediante apoyo elástico ver “ec. 1”, mientras que la placa base colocada en la cara aguas arriba con geometría radial es restringida al desplazamiento en su dirección ±Z, ±Y y +X mediante ocho anclas sujetas al armado de refuerzo que conforman los pilares de la Galería de Oscilación y en dirección -X se restringió mediante la ecuación 1 sustituyendo las propiedades mecánicas de la roca por las del concreto, finalmente se adicionaron tensores de longitud corta en el perímetro de ambas placas base.

Tabla 5. Características geométricas de los elementos (modelo II)

Elemento Elemento Tipo

Ancho o espesor m

Alto m

Longitud m

Puntales Solid 0.80 1.10 11.40Placa base aguas arriba

Shell 0.019 1.70 1.52

Placa base aguas abajo

Shell 0.019 1.70 1.40

Ménsulas Shell 0.0127 0.30 0.50Cartabones Shell 0.0127 0.30 0.80Casquillo Shell 0.0127 1.10 0.50

Anclas Frame Φ = 0.0254 3.0

∅ (Diámetro del anclaje)

Se determinó con base en el análisis estructural del sistema de conexión (placas base, casquillo, ménsulas y cartabones), que las cargas a las cuales estará sometido el sistema serán las mismas que para el primer modelo antes descrito, sin embargo, por estar la revisión enfocada a elementos metálicos se utilizaron las especificaciones de Diseño del AISC 360-05 con Factores de Carga y Resistencia LRFD (Load and Resistance Factor Design Specifications) las cuales se fundamentan mediante la siguiente expresión:

φ Rn ≥∑ γ iQi (6)

Dónde: Rn = Resistencia nominal; ϕ = Factor de resistencia correspondiente a Rn; ∑ γi Qi = resistencia requerida; i = tipo de carga; Qi = Efecto de carga nominal; γi = Factor de carga correspondiente a Qi

Para la verificación de los esfuerzos en el sistema de conexión, se revisó que el esfuerzo de falla obtenido con el criterio de Von Mises sea igual o inferior a 2/3 del esfuerzo de fluencia fy del acero estructural A36 (en el rango elástico).

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(sólo poner primer autor, ver ejemplo) APELLIDO Inicial del nombre et al. 5

σ vm=√ 12 [ ( σ1−σ2 )2+ (σ1−σ3 )2+( σ2−σ 3)2 ]≤ 23 f y

(7)

Donde: σvm = Esfuerzo de falla establecido con el criterio de Von Mises; σ1 = Esfuerzo principal mayor; σ2 = Esfuerzo principal intermedio; σ3 = Esfuerzo principal menor. El estado de esfuerzos se obtuvo del análisis estructural del sistema.

3 PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO

Determinadas las características geométricas del puntal de soporte y el acero de refuerzo que lo conforma, se prosiguió con la fabricación de 26 puntales con las siguientes particularidades (véase figura 5): en sus extremos se localiza el casquillo metálico el cual es asegurado por medio de pernos estructurales soldados en el interior de las placas que conforman el casquillo, se colocaron dos barras de 38.1 mm de diámetro dobladas (en forma de u invertida) sobresaliendo de la sección de concreto para izar el puntal. En el fondo se observa la cimbra metálica utilizada para garantizar la geometría requerida de proyecto.

Figura 5. Armado del Puntal de Soporte.

Mientras tanto en la Galería de Oscilación se colocaron las anclas de fricción y el acero de refuerzo para los muros en la cara aguas abajo y pilares en la cara aguas arriba. En el paño superior del refuerzo de los muros y pilares se colocaron las placas base sujeta por medio de anclaje y tensores de acero.

Cabe mencionar que para garantizar la independencia (separación) entre el muro principal y la zapata de los puntales, se interrumpió el acero de refuerzo de los muros en la línea que determina el perímetro de la zapata, sin embargo se colocaron barras perimetrales de 15.87 mm de diámetro en el eje neutro del muro, para permitir la sujeción y no permitir directamente la transferencia de momentos internos de la zapata hacia los muros.

Al completar la colocación del acero de refuerzo, anclas, tensores y placas base perfectamente ubicadas y alineadas en su posición de proyecto, se continuó con la presentación de la cimbra deslizante,

la cual permite un vaciado de concreto constante, es decir de forma ininterrumpida deslizando los 56.23 m de altura de los muros. Para lograr lo anterior la cimbra deslizante no debe tener ningún obstáculo en su recorrido, es por esto que el sistema de sujeción metálico permite cumplir con este requerimiento constructivo.

Concluyendo el fraguado, así como el curado de los muros y pilares de la Galería de Oscilación, se procede a trasladar los puntales de soporte hacia el interior de la galería, introduciéndolos por el túnel de desfogue. Para su elevación y colocación se preparó el equipo mecánico, compuesto por: cables de tensión, poleas, y andamios colgados a la altura necesaria para proceder con la colocación y soldadura de la placa de asiento y ménsulas de carga donde se apoyó el puntal de concreto a través del casquillo localizado en sus extremos. Se inicia así la colocación de la primer fila de puntales de soporte en orden descendente levantando los puntales desde la elevación del piso de la galería 371.83 msnm hasta la altura de colocación (véase figura 6).

Figura 6. Colocación de Puntales. Vista desde playa de montaje de compuertas

Al estar el puntal en su elevación correspondiente, este se centra y alinea con la placa base y placa de asiento, posteriormente se sueldan las ménsulas superiores y cartabones laterales al casquillo y placa base. Al concluir con el proceso de soldadura se prosigue con el relleno de la junta de tolerancia compuesta por un cementante (grout) de alta resistencia. Finalmente se cubren con pintura anticorrosiva las partes metálicas del sistema de conexión para evitar el deterioro de la estructura.

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6 Título del trabajo

Figura 7. Colocación de Puntales. Vista transversal

4 SISTEMA DE AUSCULTACION

En los 5 puntales centrales (figura 8), donde la resultante de la carga por cuña de roca tiene mayor incidencia, se instalaron extensómetros de barras.

Figura 8. Esquema de puntales instrumentados

El comportamiento de estos extensómetros es de acuerdo a lo esperado, durante la etapa de pruebas de la central entre los meses de septiembre del 2012 hasta diciembre del 2012, se registró un desplazamiento máximo de 0.7 mm.

Durante la etapa de operación normal de la central, en el año 2013, los extensómetros registraron desplazamientos por debajo de los 3.00 mm,

Figura 9. Gráfica de extensómetros G.O.

5 CONCLUSIONES

Los análisis geotécnicos realizados permitieron concluir que la mejor alternativa de estabilización para la cuña de roca máxima potencialmente inestable era por medio de puntales de soporte entre los pilares y muros de la galería de oscilación. Esto se logró realizando la combinación entre elementos de concreto y un ingenioso sistema metálico de conexión localizado en los extremos del puntal.

Los análisis estructurales realizados mediante modelación numérica mostraron que las deformaciones longitudinales máximas son del orden de 0.0065 m en dirección vertical (Z) y 0.0031 m en dirección horizontal (X), con respecto al centroide del puntal. En cuanto a elementos mecánicos, se tienen momentos flexionantes inferiores a 290 kN-m y fuerzas cortantes inferiores a 160 kN; los esfuerzos principales en las placas ménsulas y cartabones fueron inferiores a 147.01 MPa; las deformaciones en las ménsulas fueron similares a los valores de deformación del primer modelo con una diferencia de 0.2 mm.

La conexión realizada para los puntales de soporte permitió cumplir con el programa de construcción al no detener los colados en los muros y pilares de la Galería de Oscilación ya que en ningún momento se obstruyo el recorrido de la cimbra deslizante, cabe resaltar que el mecanismo para izar los puntales fue una alternativa adecuada para no tener que utilizar grúas de montaje dentro del interior de la galería.

Finalmente con el propósito de estudiar el comportamiento de la Galería de Oscilación en conjunto con los puntales se instaló un sistema de instrumentación compuesto por extensómetros de barras para medir las deformaciones de los puntales y de ahí inferir las cargas correspondientes. Los valores promedio máximo medidos con los extensómetros (3.058 mm) resultaron muy similares a los obtenidos de la modelación numérica (3.1 mm), con lo que se concluye que el modelo de análisis propuesto reproduce bastante bien el

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2/9/

2012

6/4/

2012

9/28

/201

2

1/22

/201

3

5/18

/201

3

9/11

/201

3

1/5/

2014

5/1/

2014

8/25

/201

4

-1.0-0.50.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0

400.00

420.00

440.00

460.00

480.00

500.00

520.00

540.00

560.00

580.00EXTENSÓMETROS PUNTALES GALERÍA

DE OSCILACIÓNEXUGO- 2SEXUGO- 3SEXUGO- 3I

EXUGO- 4SEXUGO-1SEXUGO- 4I

EXUGO- 5SEXUGO- 5I

EXUGO-1lEXUGO-2lEmbalse

Δ. m

m

El. m

.s.n

.m

EXUGO- 1I

EXUGO- 1S

EXUGO- 3I

EXUGO- 3S

EXUGO- 5I

EXUGO- 5S

EXUGO- 4I

EXUGO- 4S

CONCENTRADOR DE CABLES PARA MEDICION DE SENSORES

Símbolos:

Puntales

Puntales instrumentados con extensómetrosRuta de cableado

Elev. 415.2

Elev. 407.4

Elev. 399.2 EXUGO- 2I

EXUGO- 2S

(sólo poner primer autor, ver ejemplo) APELLIDO Inicial del nombre et al. 7

comportamiento real del sistema estructural muro-puntales-pilares.

6 REFERENCIAS

American Concrete Institute (2008), “Requisitos de reglamento para concreto estructural (ACI 318S-08) y Comentarios”, ACI, USA, 513 pp.

American Institute of Steel Construction (2001) “Manual of Steel Construction Load and Resistance Factor Design” 3ra ed., AISC, USA, 470 pp.

Bowles, J. E. (1996), “Foundation Analysis and Design”, Mc Graw Hill, USA, pp 284-343.

González, O. y Robles, F. (2006). “Aspectos fundamentales de concreto reforzado”, Limusa, México, pp 802.

Petrops, P. (1991), “Ground Anchors and Anchored Structures”, Interscience Publication, Canada.

Hibbeler R.C. (2005), “Mechanics of Materials”, Pearson, USA, 873 pp.

Vinnakota S. (2006), “Estructuras de acero: comportamiento y LRFD”, Mc Graw Hill, México, 904 pp.

Vallejo, G. (2005), “Ingeniería Geológica”, Limusa, España, 693 pp.

Zeevaert W., L. (1982), “Foundation Engineering for difficult Subsoil Conditions”, Second Edition, Van Nostrand Reinhold, New York.

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