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CURSO ANALISIS Y DISEÑO DE PRESAS DE TIERRA
ASPECTOS GEOLOGICOS
Mg. Juan Carlos Gómez Avalos
La Molina, 01 de Junio de 2013
La Geología es la ciencia que estudia la composición de la tierra, su origen y los cambios que ha tenido. En la ingeniería civil, la Geología interesa para conocer a detalle el área donde se desea construir y sus características más aprovechables o bien como resolver el problema de encontrar un tratamiento adecuado a la geología del sitio.
Tipos de rocas (Petrología) Las rocas pueden ser clasificadas por su origen, textura y estructura. La textura de una roca revela el acomodo de sus granos, mientras que la estructura indica si ésta contiene cavidades, fisuras o fracturas.
Por su origen; las rocas pueden ser clasificadas como ígneas, metamórficas y sedimentarias. Las rocas ígneas se forman a partir de magma o lava volcánica, éstas en especial pueden ser de dos tipos intrusivas y extrusivas, las intrusivas, son aquellas que se formaron en el interior de la tierra con magma y fueron expulsadas ya como rocas, mientras que las extrusivas se formaron con la lava expulsada del volcán y se consolidaron en la superficie terrestre.
COMPOSICION QUIMICA DE LAS ROCAS INTRUSIVAS
INTRUSIVOS BÁSICOS A ALCALINOS
EJEMPLOS DE ROCAS INTRUSIVAS
GRANITO
LAS ROCAS VOLCANICAS
TIPOS DE ROCAS VOLCANICAS
Las rocas sedimentarias, se forman con restos de roca o restos orgánicos que son depositados por el agua, viento o lluvia, pueden ser identificadas fácilmente por contener capas claramente definidas.
ROCAS DETRÍTICAS:Son aquellas que se forman a partir de los granos y cantos que han sido transportados. Una vez que estas partículas o detritos se depositan, a lo largo del tiempo va precipitando entre los granos lo que se conoce como cemento, a partir de las sustancias que transporta el agua en solución. Las partículas se denominan clastos, y en función de su tamaño diferenciamos entre:
Conglomerados (Ruditas): Formadas mayoritariamente por clastos de tamaño superior a 2 mm unidos por cemento (normalmente calcáreo o silíceo).
Areniscas: Formadas mayoritariamente por clastos con un tamaño comprendido entre 2 y 1/16mm unidos entre sí por cemento (normalmente calcáreo o silíceo).
Lutitas/argilitas: Normalmente se conocen como argilitas aquellas rocas con clastos de tamaño inferior a 1/16mm. No obstante, conviene aclarar que geológicamente estas rocas se dividen el lutitas, con un tamaño de entre 1/16 y 1/256 mm, y argilitas, formadas por arcillas (tamaño de grano inferior a 1/256mm) y cemento.
ROCAS NO DETRÍTICAS:
Son rocas sedimentarias que no se han formado a partir de fragmentos de rocas preexistentes. Se generan principalmente por precipitación química, pero hay otros mecanismos de formación como la acumulación de restos de origen orgánico (conchas y caparazones, corales, etc). Dentro de este grupo podemos diferenciar:
Rocas carbonatadas: Formadas por carbonatos las más frecuentes son las calizas (carbonato cálcico) y la dolomías (carbonato de calcio y magnesio). Pueden contener gran cantidad de restos de conchas, caparazones, etc.
Evaporitas, fosfatadas y alumino-ferruginosas: Formadas principalmente por precipitación química.
Organógenas: Formadas por acumulación de restos orgánicos que posteriormente quedan cementados por la precipitación de una matriz.
Rocas silíceas de origen orgánico: Estas rocas están compuestas principalmente por sílice (familia del cuarzo) pero en este caso se producen por acumulación de material orgánico de naturaleza silícea (como diatomeas).
Las rocas metamórficas, son rocas ígneas o sedimentarias que han sufrido cambios por exposición a altas temperaturas o fuerzas de gran magnitud, cambiando la forma de sus cristales y su composición.
Características del suelo de fundación (Sedimentología)En las formaciones de roca sedimentaria, se tienen partículas de suelo de diferentes tamaños por lo que es importante realizar un análisis granulométrico y conocer la variación de tamaños de sus partículas.
El análisis granulométrico se realiza dejando pasar por medio de mallas una muestra representativa de suelo. Estas mallas varían el tamaño de sus aperturas, desde las más abiertas hasta las más finas, la malla número 200 define el límite entre partículas gruesas y finas, las que quedan retenidas en ella o en mallas por encima de ésta, son partículas gruesas, es decir; gravas y arenas, mientras que las partículas que pasan la malla 200 se consideran partículas finas.
El Sistema Unificado de Clasificación de Suelos, es un método muy utilizado para determinar las características de un suelo e identificarlas por medio de símbolos.
ANALISIS GRANULOMETRICO
La identificación de las características de los materiales de la zona también influye en la selección del tipo de cortina, ya que es muy importante conocer la calidad de los materiales disponibles para la construcción de la cortina o para la fabricación de algún cementante. Además, la existencia de buenos bancos de materiales cerca de la zona de construcción disminuye los costos de transporte.
Geomorfología La Geomorfología se encarga de estudiar las formaciones en la superficie de la tierra y las fuerzas que las provocaron a lo largo del tiempo. Para fines de ingeniería, la Geomorfología identifica las formaciones montañosas, las llanuras, los valles, etc. y describe detalladamente su composición y relieve.
La descripción de cada uno de estos relieves incluye características como la edad, composición topográfica, tipo de pendientes, tipo de drenaje y su orientación. Éstas características de forma general son obtenidas, para toda el área de construcción de la obra. Sin embargo, dado el alto riesgo que representa una mala ubicación de la presa de tierra, en este caso se realiza un estudio más detallado.
Tectónica regional La mayoría de las formaciones o rasgos geológicos de la tierra tales como los continentes, las montañas y cuencas geológicas son producidas por el movimiento de la placas tectónicas, si bien, la formación de los continentes o el conocimientos de las cuencas oceánicas no son del todo relevantes para la construcción de una presa, si es importante conocer a nivel regional las placas que generaron la Geomorfología de la región.
Para la construcción de una presa la descripción de la tectónica regional se basa en la descripción de las estructuras que la conforman, entre ellas, destacan fallas, fracturas de la zona y las manifestaciones volcánicas que presenta. Además de mostrar la ubicación y orientación de estas estructuras se analiza el movimiento tectónico que las provocó y su edad.
MONITOREANDO LA DINAMICA DE LA TIERRA: GPS
Estratigrafía La estratigrafía es un rasgo representativo de las rocas, las capas o lechos que estas representan, se conocen como estratos, y esta característica es una de las más importantes en el análisis de las rocas. En un estudio estratigráfico se describe de manera detallada las capas, láminas o estratos de una roca durante su disposición. Para la descripción de la estratigrafía de una zona se utilizan columnas estratigráficas en las cuales es posible ubicar a una profundidad, el tipo de afloramiento, tipo de roca, su acomodo y edad.
SECUENCIA CRONOLOGICA
Geología estructural La principal intención de realizar estudios de Geología estructural es la de conocer las fuerzas y esfuerzos a los que está sometido el suelo, que influyen en su comportamiento y deformaciones y que pueden generar efectos desfavorables en la construcción de algunas estructuras de la presa.
Las fallas y fracturas son las principales estructuras de análisis. Una fractura es una discontinuidad en la masa de una roca, mientras que una falla se presenta cuando la roca ha sufrido un deslizamiento en un plano de fractura.
Las fallas pueden ser de dos tipos, normales e inversas. Entre una falla se tienen dos masas de roca, cuando una fuerza vertical es aplicada a una de ellas y ésta presenta un descenso a través del plano de falla, produce una falla normal; cuando se aplica una fuerza horizontal a la masa de roca y ésta asciende por la falla, produce una falla inversa. Dentro de las fracturas se encuentran los cruceros o juntas que son elementos con una ordenación definida o continua, otro tipo de fracturas son las grietas o fisuras que son consideradas fracturas de pequeñas magnitudes.
La identificación de cruceros se realiza en base a sus planos de estratificación los cuales se distinguen por las características de su disposición localizada a través de una dirección y una pendiente.Cuando una zona presenta varias fallas próximas se le conoce como zona de falla o desgarre.
En algunos las rocas se doblan o flexionan provocando pliegues, cuando estos pliegues presentan una convexidad hacia arriba, se llaman anticlinales, cuando esta concavidad es cóncava se conoce como pliegue sinclinal. Las rocas llegan a presentar pliegues ocasionados por fuerzas de flexión o doblamiento que se generan por efectos volcánicos. Si los esfuerzos son aplicados en los extremos del estrato este tiende a presentar un abombamiento, cuando los esfuerzos se presentan a lo largo de un estrato uniforme tiende a levantarse y produce un pliegue de fluencia, por otra parte si estos esfuerzos son aplicados a un estrato con planos tabulares, éste tiende a deslizar sus planos ocasionando un pliegue por resbalamiento.
En un análisis de geología estructural se identifican fallas, fracturas, pliegues con cada una de las características antes mencionadas, sin embargo las que representan mayor riesgo son las fallas, por lo que se realiza un arduo reconocimiento de las mismas indicando por ejemplo el tipo de material en su contacto, ubicación, rumbo e inclinación. Si éstas coinciden con la ubicación de alguna estructura de la presa se analizan los efectos que tendría y si es viable o no colocar en este sitio dicha estructura. Éste tipo de análisis se realiza a nivel general en la zona de obra de la presa y a detalle en la zona del embalse.
Geodinámica Parte del estudio geológico consiste en identificar zonas que podrían presentar falla durante la construcción o en el sitio de construcción de alguna estructura de la presa. Las zonas se vuelven inestables debido a diferentes factores tales como cortes en sitios de falla, fallas con materiales que favorecen su deslizamiento, material erosionado; entre otras.
Es importante, la localización de estos sitios vulnerables ya que un deslizamiento durante la construcción podría ocasionar pérdidas humanas, retraso en el proceso constructivo o la falla de alguna estructura de la presa.
Cada uno de los sitios de alto peligro geológico debe estar perfectamente localizado y se calcula el volumen de material que puede ser desprendido o deslizado así como su tendencia de falla.
Algunos de los peligros se activan después de alguna alteración debida al proceso constructivo, como extracción de material o formación de túneles sin embargo en ciertas ocasiones es posible reforzar las estructuras para evitar su falla y asegurar su estabilidad.
ASPECTOS GEOLOGICOS APLICADOS AL DISEÑO DE PRESASSe debe analizar la geología del área estudiada contemplando toda la información posible de obtener, relacionada con:
Estratigrafía: Descripción litológica, textura, composición, estructuras, origen, espesor, color, distribución y posiciónen la secuencia de las distintas unidades litológicas. Se deben considerar todos los tipos de materiales geológicos como roca fresca, roca meteorizada, suelo residual, depósitos sedimentarios y en general el regolito.
Geología estructural: Fallas y zonas de falla (activas o inactivas, locales y regionales, si las hay), densidad de diaclasas, aptitud de estratos, diaclasas y foliaciones, cuando se trate de un macizo rocoso.
Hidrogeología: Nacimientos de agua, áreas de recarga, áreas de descarga, niveles freáticos normales, colgados. Teniendo en cuenta el nivel de detalle, las unidades estratigráficas se cartografiarán teniendo en cuenta primordialmente su unidad litológica y en segundo lugar su origen, sin embargo, dichas unidades se deben correlacionar con las formaciones estratigráficas formalmente reconocidas para el área para la cual se hace el estudio
Los estudios geológicos BÁSICOS para un proyecto de presa deben incluir como mínimo los siguientes documentos:
Una memoria técnica descriptiva
Las Columnas estratigráficas típicas representativas de las diversas áreas del proyecto
Un mapa geológico general.
Planos geológicos detallados de los contactos o elementos geológicos más importantes.
Perfiles geológicos que muestren las unidades estratigráficas y estructuras geológicas identificadas.
Interpretación de la información geológica y conclusiones del estudio.También son necesario los estudios geotécnicos
METODOLOGÍA DE LOS ESTUDIOS GEOLÓGICOS Y GEOTÉCNICOSA NIVEL DE FACTIBILIDAD
Los estudios geológicos y geotécnicos de presas se desarrollan enconsonancia con las distintas fases del proyecto y construcción de unapresa.
1. Estudios previos y de factibilidadSu objeto es establecer la viabilidad de la presa según los siguientescriterios geológicos:
Ausencia de riesgos geológicos significativos para la seguridad de lapresa y el embalse (grandes deslizamientos, intensa carstificactón, fallasactivas en la cerrada en zonas de alta sismicidad. etc.).
Condiciones geomorfológicas de la cerrada adecuadas para la posible construcción de la presa
2. Estudios de soluciones y de anteproyecto
Los objetivos son aportar criterios geológicos para la selección del tipo de presa y la cerrada más adecuada, bajo el punto de vista técnico, económico y medioambiental (la cerrada es el lugar de emplazamiento de la presa).
Los aspectos geológicos y geotécnicos a considerar son los siguientes:
- Disponibilidad de materiales de construcción.
- Resistencia, estabilidad y permeabilidad de la cimentación.
- Estabilidad de las laderas del embalse.
- Hidrogeología del embalse.
- Condiciones sismotectónicas
3. Estudios para el proyecto de construcción
Sus objetivos son aportar los criterios geológico-geotécnico para el diseño de la presa y sus estructuras auxiliares, tratamientos del terreno y soluciones constructivas.
Los aspectos a estudiar son:
Caracterización geotécnica detallada de la cimentación de la presa.
Estudio geotécnico para el emplazamiento de las estructuras auxiliares.
Estudio sísmico y neotectónico.
Tratamientos de mejora e impermeabilización.
Recomendaciones constructivas.
4. Control geológico-geotécnico durante la construcción
Su objetivo es verificar las condiciones geológicas encontradas durante la construcción, adaptar las soluciones de proyecto y controlar los tratamientos de mejora del terreno, desarrollándose los siguientes trabajos:
Verificación de las condiciones de proyecto y adaptación a la obra.
Seguimiento y control de los trabajos de excavación, cimentación ytratamientos del terreno.
Investigaciones Geognosticas: Sondeos, Prospección geofísica, ensayos de permeabilidad, ensayos con trazadores, ensayos de inyectabilidad de mezclas, piezómetros, ensayos dilatométricos, galerías de reconocimiento.
CRITERIOS GEOLÓGICO-GEOTECNICOS DE SELECCIÓN DE PRESASCriterios generalesLa selección del emplazamiento de una presa depende fundamentalmente de los siguientes factores:Capacidad del vaso (volumen de embalse).Impermeabilidad del vaso.Cerrada adecuada: condiciones geomorfológicas, geológicas y geotécnicas favorables. Valor de los terrenos inundados (poblaciones, infraestructuras, etc.). Disponibilidad de materiales de construcción próximos a la presa.Condiciones favorables para ubicar el aliviadero, ataguías y demás obras auxiliares. Una vez determinada la ubicación más adecuada para el cierre del valle (de las varias alternativas seleccionadas en principio), se procede a seleccionar el tipo de presa en el denominado «estudio de soluciones donde se analizan detalladamente los posibles tipos de presas desde múltiples puntos de vista, destacando el geológico. Los factores a tener en cuenta en este análisis son los siguientes:Altura prevista de la presa.Geomorfología de la cerrada.Disponibilidad de materiales de construcción.Condiciones geológico-geotécnicas de la cimentación.Ausencia de riesgos geológicos activos.
Cerrada. Deformabilidad. resistencia y permeabilidad de las cimentaciones y estribos.Vaso. Estabilidad de las laderas, estanqueidad. acumulación de sedimentos y sismicidad inducida.Canteras y préstamos. Calidad y volumen disponible de materiales parala construcción.Aliviaderos. Estabilidad de los taludes, permeabilidad y resistencia delos macizos de cimentación de las estructuras en hormigón y erosionabilidad del terreno.Canales. Estabilidad de los taludes, erosionabilidad y ripabilidad de losmateriales y cimentación de los rellenos.Central exterior. Estabilidad de los taludes, deformabilidad y resistenciade las cimentaciones.Central subterránea. Deformabilidad, resistencia, permeabilidad y estado tensional del macizo.Galerías de desvío, desagües de fondo y túneles, Estabilidad de la excavación, deformabilidad, permeabilidad y estado tensional de los macizos.
Riesgo de erosión interna
Otro condicionante de la estabilidad y seguridad de las presas en relación con las condiciones geológicas es la erosión interna que se genera al crearse gradientes hidráulicos elevados en materiales erosionables.
En estos casos hay que actuar bien disminuyendo los gradientes o bien incorporando en la estructura de la presa filtros y drenes adecuados a las condiciones hidráulicas. Reduciendo los gradientes disminuyen las fuerzas de filtración, pudiéndose controlar el fenómeno.
La construcción de filtros y drenes bien dimensionados impide la salida de los tinos y los procesos de erosión interna.
MATERIALES GEOLÓGICOS PARA LA CONSTRUCCIÓN DE PRESAS
La construcción de una presa precisa de un importante volumen de materiales. Las presas de materiales sueltos dependen fundamentalmente del tipo de material disponible.
Los materiales deben reunir los siguientes requisitos:
- Volumen apropiado a la magnitud de la presa.
- Calidad adecuada a los distintos fines.
- Distancia operativa.
- Facilidad de extracción.
-Condiciones medioambientales aceptables para su explotación.
ESTANQUEIDAD DE EMBALSESUna de las condiciones básicas que debe reunir un embalse es su estanqueidad. Sin embargo dependiendo del uso del mismo, las pérdidas de agua pueden ser más o menos tolerables.Los criterios generales para el análisis de la estanqueidad de un embalse se basan en factores hidrogeológicos, litológicos y estructurales; entre ellos se incluyen:
Las rocas duras y poco fracturadas (rocas ígneas. metamórficas, sedimentarias masivas, etc.), son en general favorables para la estanqueidad.
Las rocas sedimentarias de alto contenido en arcilla (margas, lutitas. etc.) son muy favorables.Las rocas sedimentarias fracturadas, exceptuando las muy porosas, son igualmente favorables, ya que se supone que la transmisividad se efectúa a través de fracturas y éstas se cierran con la profundidad.
Las estructuras geológicas, como los pliegues, pueden condicionar el flujo hacia el interior o exterior del embalse, por lo que deben analizarse detalladamente, así como su relación con las fallas y discontinuidades asociadas a dichos pliegues.
ESTABILIDAD DE LADERAS EN EMBALSES
El llenado de un embalse supone los siguientes efectos:
Imposición de una carga en las laderas y fondo del valle equivalente a la altura de agua en cada punto del vaso.
Elevación del nivel freático en las laderas del embalse.
Cambios en las condiciones hidrogeológicas de los materiales afectados.
Oscilación de los niveles freáticos en las laderas del embalse según las condiciones de explotación del aprovechamiento.
Como consecuencia de estos efectos se producen cambios tensionales, cuyas consecuencias pueden dar lugar a inestabilidades en las laderas del embalse.
PROBLEMAS GEOLÓGICOS Y POSIBLES SOLUCIONES
En función del problema geológico presente en la cimentación y del tipo de presa y su finalidad, las soluciones pueden ser muy diferentes, describiéndose algunos de los problemas geológicos.Rocas BlandasRocas de baja resistencia, con posible mecanismo de rotura a través de la matriz rocosa: en estos casos se puede requerir una excavación más profunda a fin de alcanzar un nivel más resistente: si no es asi, es necesario modificar la geometría de la presa, o bien cambiar el tipo de presa.Pérdida de resistencia por efecto de la saturación: gran parte de las rocas blandas pierden resistencia al saturarse (rocas cementadas, arcillosas. etc.). siendo necesario realizar ensayos sobre muestras saturadas.Desecación en rocas de alto contenido en arcillas (argilitas. margas, etc.). y agrietamiento en excavaciones, lo que hace necesario el hormigonado inmediato.Baja durabilidad en materiales arcillosos.Expansividad en rocas con contenidos en esmectita. Requiriendo protección superficial
Rocas DurasLa presencia de discontinuidades o capas blandas de gran longitud, horizontales o de bajo ángulo buzando aguas abajo, representa «a priori» un problema geológico de importancia muy común en rocas duras. Si estas discontinuidades están a pocaprofundidad la solución es la excavación completa, aunque ésta puede ser también parcial. Otras soluciones consisten en macizar tramos de la discontinuidad a través de galerías, pantallas. etc., pudiendo complementar estas medidas con drenajes, inyeccionesy a veces, con anclajes.
Fallas Y Zonas de Trituración TectónicaEn el caso de fallas y zonas de trituración tectónica o de intensa facturación, los tratamientos varían en función de cada problema. En general, estas discontinuidades suelen tener escaso espesor, y el tratamiento más común es la excavación de la zona más superficial, reemplazando el material saneado por hormigón, o bien realizar inyecciones desde superficies o galerías.
Las zonas de facturación intensa están asociadas a permeabilidades alias y compresibilidades elevadas, con baja resistencia al corte, requiriéndose tratamientos de consolidación y. en ocasiones, anclajes.
CavidadesLas cuevas, cavidades o huecos, en general, se tratan con inyecciones. Sin embargo el principal problema es su detección, lo que supone una incertidumbre en los tratamientos, que si son muy extensivos (como ocurre en los terrenos kársticos) pueden resultar muy costosos.
