DISTRIBUCION DE SUBPRESIONES A PIE DE PRESA Y EN EL AREA AGUAS ABAJO DE LA PRESA CASA DE PIEDRA

DISTRIBUCION DE SUBPRESIONES A PIE DE PRESA Y EN EL AREA AGUAS ABAJO DE LA PRESA CASA DE PIEDRA Ings. Eduardo O. Capdevila, Alfredo Fonda, Ricardo H. Barletta y Dr. Armando Massabie IATASA – Buenos Aires, Argentina SUMARIO: La presa Casa de Piedra está emplazada sobre el río Colorado, es de materiales sueltos con núcleo impermeable, su extensión es de aproximadamente 11 km y su altura máxima de 54 m. La longitud de la presa y sus singulares condiciones de fundación, hacen que la evaluación permanente de su comportamiento durante la operación del embalse sea de especial importancia. El volumen total de la presa es de aproximadamente 13.000.000 m3. En esta contribución se trata el análisis de la distribución de subpresiones y de la seguridad al levantamiento al pie de presa y en la zona de aguas abajo de la misma hasta agosto de 1998, con énfasis en la margen izquierda. Se destaca la importancia de los piezómetros tipo Casagrande, para la verificación de las hipótesis de proyecto y la eventual indicación de tareas de investigación geológico - geotécnicas complementarias, instalación de piezómetros adicionales y aplicación de medidas correctivas. Palabras claves: Presa de materiales sueltos, fundaciones, subpresiones 1

INTRODUCCION

El llenado del embalse Casa de Piedra fue iniciado en julio de 1989 y alcanzó a fines de 1993 el nivel 280 m, permaneciendo en el mismo, con ligeras variaciones, durante los primeros seis meses de 1994. De tal manera se ubicó a 3 m de la cota de máximo embalse normal. Posteriormente osciló entre cotas 276 m y 279 m, alcanzando el 4 de febrero de 1998 el nivel 280,02 m, manteniéndose hasta el 9 de agosto de 1998 aproximadamente en cota 280 m. El máximo nivel de embalse alcanzado se registró el día 27 de febrero de 1998 y fue 280,28 m, quedando a 2,27 m del nivel de máximo embalse normal. A la fecha de elaboración de este trabajo el nivel de embalse se encuentra en cota 279,96 m. La presa Casa de Piedra, que forma parte del Aprovechamiento Múltiple del mismo nombre se halla ubicada en el río Colorado, Argentina. Las consideraciones relativas al comportamiento de la presa y de sus fundaciones (Capdevila y otros, 1990), (Speziale, 1995), (Massabie y Capdevila, 1995), (Capdevila y otros, 1995), que se hacen en este trabajo, están

basadas en la información procesada hasta agosto de 1998. Se describen, de manera resumida, las principales características de la presa y de sus fundaciones, dado que los aspectos principales de este proyecto fueron objeto de otros trabajos (Kloster y otros, 1984), (Capdevila y Massabie, 1988), (Etchehon y Speziale, 1989), (Vardé y otros, 1989). Se destaca la importancia que, dadas las características de las formaciones de la fundación, tienen los piezómetros tipo Casagrande, especialmente los ubicados a pie de presa y aguas abajo de la misma en la terraza superior izquierda y como, a partir del análisis de la información obtenida de los mismos, se consideraron necesarias y se ejecutaron investigaciones geológico – geotécnicas complementarias, instalación de piezómetros adicionales y el relleno de zonas bajas. Se muestran y comentan resultados obtenidos de estas tareas. En esta contribución sólo se trata la distribución de subpresiones al pie de presa y en la zona de aguas abajo de la misma, con énfasis en la margen izquierda, por considerarse de mayor interés dadas sus características

geológico - geotécnicas, extensión y comportamiento evidenciado hasta el presente. A los fines de mostrar los resultados obtenidos de las observaciones y mediciones se adjuntan perfiles longitudinales por el pie de presa divididos en dos tramos: uno corresponde a la margen izquierda y el otro a la garganta y margen derecha y se han elegido cuatro secciones transversales a la presa, dos ubicadas en margen izquierda: progresivas 1100 m y 4000 m, una en la garganta en progresiva 7315 m y la última en margen derecha en progresiva 8650 metros. La sección ubicada en prog. 1100 m corresponde al tramo, de fundación de margen

La presa Casa de Piedra es una obra de materiales sueltos con núcleo impermeable que tiene una longitud de aproximadamente 11 km y una altura máxima de 54 m, en correspondencia con el valle del río Colorado, cuyo ancho es del orden de 200 m. El resto de la presa, que se encuentra sobre las terrazas de ambas márgenes del río, presenta una altura del orden de 20 a 30 metros, salvo un tramo en la margen izquierda de unos 800 metros de longitud donde, por la presencia de un banco de yeso, se debió realizar una excavación para su remoción parcial alcanzando aquí la presa una altura de aproximadamente 47 m, considerada desde el punto más bajo de su fundación.

izquierda, en que se removió un depósito de yeso masivo (Capdevila y Massabie, 1988), (Capdevila y otros, 1988), (Massabie y Capdevila, 1989), mientras que la de progresiva 7315m (figura 8) caracteriza la zona de la garganta. La sección en progresiva 4000 m, en margen izquierda (figura 7), y la sección de progresiva 8650 m en margen derecha, se adoptan como representativas de los extensos tramos de terrazas.

Las fundaciones se hallan constituidas en la margen izquierda, por rocas blandas limoarcilíticas sobre bancos calcáreos, de permeabilidad elevada en relación con los demás estratos, margas y coquinas; bancos de caliza, margas y coquinas en la garganta y formaciones lenticulares sedimentarias de rocas blandas en la margen derecha.

2

DESCRIPCION DE LA PRESA

3 DISTRIBUCION DE LAS SUBPRESIONES A PIE DE PRESA Y AGUAS ABAJO DE LA MISMA

En la Fig. 1 puede apreciarse una planta, un perfil geológico - geotécnico longitudinal de la obra y la ubicación de la traza del pie de presa y de los perfiles transversales considerados representativos de la totalidad de la presa. Durante el desarrollo del proyecto fue prevista la colocación de piezómetros tipo Casagrande en la fundación de la presa, bajo el espaldón de aguas abajo (aproximadamente bajo el borde del coronamiento) y próximos al pie de presa. Posteriormente, avanzada la construcción de la obra y durante el primer llenado del embalse se han instalado, piezómetros adicionales. Mediante las lecturas efectuadas de los captores ubicados en el estrato calcáreo, las que respondían y acompañaban a las oscilaciones del nivel de embalse, se advirtió que la pérdida de carga hidráulica correspondiente al escurrimiento en la capa calcárea era inferior a la prevista en el proyecto. Sobre esta base se procedió a aumentar la cantidad de piezómetros a pie de presa y se extendió la instalación de los mismos hacia aguas abajo. Los captores, en su mayoría, se colocaron en el estrato de mayor permeabilidad (calizas). En una primera etapa de ampliación de la cantidad de piezómetros se alcanzó una distancia de 450 m aguas abajo del eje de la presa. Posteriormente las mediciones de los nuevos piezómetros y especialmente de dos captores colocados en el estrato de arcilita roja, que mostraron valores superiores a los esperados, indicaron la necesidad de rellenar parcialmente zonas bajas, ubicadas aguas abajo a más de 150 m del eje de la presa, para incrementar la seguridad al levantamiento de esas áreas. En estas zonas bajas, que resultaron de las excavaciones para obtener materiales para la construcción de la presa y en las que se acumulaba agua, se alcanzó con el relleno la cota 267 m (agregando un espesor del orden de 2 m) hasta 450 m del eje de la presa. Además se efectuó, simultáneamente con los trabajos de relleno, una segunda etapa de investigación geológico - geotécnica hacia aguas abajo y se instalaron nuevos piezómetros, colocándose una cantidad significativa de captores en el estrato de arcilita roja, para medir las pérdidas de carga en el sentido vertical del escurrimiento a través de la misma.

Con los datos geotécnicos obtenidos se extendió el conocimiento de la disposición y continuidad de los estratos, hacia aguas abajo, y de las condiciones en que se encontraban los materiales de fundación después de 6 años de iniciado el llenado del embalse. Se pudo así apreciar, en los testigos obtenidos de las perforaciones, que la arcilita roja y el resto de los materiales de fundación, se encontraban en condiciones similares a las que tenían antes de la construcción de la presa, ya que no se manifestó cambio alguno. De las perforaciones que se efectuaron al pie de presa fundamentalmente, se tomaron muestras inalteradas que fueron sometidas a ensayos de laboratorio. Los resultados de los ensayos triaxiales confirmaron que las características geotécnicas y condiciones de los materiales de fundación no habían variado, de manera apreciable, desde antes de la construcción de la presa. En el análisis del comportamiento de las fundaciones de la presa, además de las subpresiones y los escurrimientos, se han tenido en cuenta las evaluaciones de los resultados de los análisis físico - químicos, que se realizan trimestralmente sobre muestras de agua del embalse, del río (aguas abajo de la presa), de la galería de drenaje, de la zanja de pie de presa (en margen izquierda), de todos los pozos de alivio y de algunos piezómetros tipo Casagrande. Estos estudios, que tratan la interacción del agua con los materiales de la fundación hasta el presente, permiten inferir un comportamiento de los materiales de fundación compatible con las previsiones del proyecto. En las Figs. 2, 3, y 4 se muestra la geología, en forma simplificada, de la margen izquierda, el nivel de embalse y la fecha de los datos utilizados. En la Fig. 2 se indican las ubicaciones de los captores en el estrato calcáreo y sus niveles piezométricos. En la Fig. 3 pueden observarse la distribución de los captores en la capa de arcilita roja y sus niveles piezométricos. En la Fig. 4 se muestran las ubicaciones de los captores en el techo de la arcilita roja y en la base de la cubierta aluvional con sus niveles piezométricos (niveles de agua en la cubierta aluvional).

Se han agregado, en las Figs. 2 y 3, los coeficientes de seguridad al levantamiento existentes al pie de presa. Los valores definidos aquí como coeficientes de seguridad al levantamiento, resultan de la relación entre el 282

seguridad, a la fecha considerada, correspondió al piezómetro G59 (en progresiva 1521 m) y fue de 1,46. En la Fig. 3 (captores en arcilita roja), puede verse la variación de los niveles piezométricos

CDP - TERRAZA SUPERIOR IZQUIERDA NIVELES PIEZOMETRICOS - PIE DE PRESA - CAPTORES EN CALIZA

Figura 2 3

277

2

267

1

Aluvión

262

0

Arcilita roja

257

-1

252 247

Caliza

Yeso

242 600

Seg.Levantam.

COTAS (m)

272

-2 -3

1600

2600

3600

4600

5600

6600

PROGRESIVAS (m) TERRENO NATURAL COTA INST. CAPTOR

BASE CUB.ALUVIONAL NIV.PIEZOM.09/08/98

BASE ARCILITA ROJA SegLev

CDP - TERRAZA SUPERIOR IZQUIERDA NIVELES PIEZOMETRICOS - PIE DE PRESA - CAPTORES EN ARCILITA ROJA

Figura 3

282

3

277

2

267

1

Aluvión

262

0

257 247 242 600

-1

Arcilita roja

252

Yeso

-2

Caliza 1600

2600

Seg.Levantam.

COTAS (m)

272

-3 3600

4600

5600

6600

PROGRESIVAS (m) TERRENO NATURAL COTA INST. CAPTOR

BASE CUB.ALUVIONAL NIV.PIEZOM.09/08/98

peso de los materiales ubicados por encima del captor considerado, en el estado en que se encuentran, y el valor de la subpresión que se mide en dicho punto. No se ha tenido en cuenta aporte alguno derivado de la resistencia de la arcilita roja, ubicada por encima, constituyendo un estrato continuo de material de muy baja permeabilidad en relación con el material subyacente. Puede apreciarse en la Fig. 2 (captores en calizas), la variación de los niveles piezométricos a lo largo del pie de presa. En este caso los mayores valores de subpresión no producen los menores coeficientes de seguridad al levantamiento. El menor coeficiente de

BASE ARCILITA ROJA SegLev

a lo largo del pie de presa. En este caso se aprecia el mayor valor de subpresión en el piezómetro 334, instalado en 1996 en la progresiva 3201 m, verificándose allí también el menor coeficiente de seguridad (1,60). La seguridad al levantamiento a lo largo del pie de presa, en margen izquierda, aún proyectada al Máximo Nivel de Embalse Normal (cota 283 m), es considerada adecuada. La Fig. 5 muestra la geología simplificada de los tramos de la garganta y de la margen derecha, a pie de presa, y los niveles piezométricos alcanzados. Puede apreciarse que en la zona de la garganta los niveles piezométricos medidos, siguen la

CDP - TERRAZA SUPERIOR IZQUIERDA NIVELES PIEZOMETRICOS - PIE DE PRESA - CAPTORES EN CUBIERTA ALUVIONAL

Figura 4

282 277 COTAS (m)

272 267

Aluvión

262 257 252 247 242 600

Arcilita roja Caliza

Yeso 1600

2600

3600

4600

5600

6600

PROGRESIVAS (m) TERRENO NATURAL COTA INST. CAPTOR

BASE CUB.ALUVIONAL NIV.PIEZOM.09/08/98

COTAS (m)

GARGANTA Y MARGEN DERECHA AL PIE NIVELES PIEZOMETRICOS Y GEOLOGIA

BASE ARCILITA ROJA

Figura 5

288 Cubierta aluvional y limos arenosos 282 Caliza y Calcarenita 276 270 264 258 252 Arenisca, Pelita y Marga 246 240 Marga Gris Marga gria y Coquina 234 228 7000 7500 8000 8500 9000 9500 PROGRESIVAS (m) TERRENO NATURAL C.ALUV.y LIMOS base AREN.PEL.y MAR.base COTA CAPTOR COQUINA (base) Niv. Piez. 09/08/98

topografía del terreno natural, comportándose la zona de acuerdo a lo esperado. En la margen derecha se aprecia que la línea que une los niveles medidos en los distintos piezómetros es notablemente quebrada, indicando significativas diferencias entre las lecturas piezométricas. Esto se atribuye a varios factores, entre ellos puede mencionarse que el terreno natural se encuentra en general a mayor cota que la margen izquierda, los materiales de fundación son más heterogéneos y consisten principalmente en areniscas arcillosas, con lentes de pelitas y margas interestratificadas con areniscas, en casi todos los casos tienen escasa cementación y baja permeabilidad. Por lo tanto, en esta margen, los escurrimientos no encuentran una estratigrafía con capas de permeabilidades tan diferentes ni tan definidas como en la margen izquierda y se desarrollan de forma más lenta y aleatoria. Aparentemente no ha alcanzado aún un estado

de régimen permanente, y muestra tramos en los cuales el agua aún no habría alcanzado a saturar los niveles en que se ubican algunos captores. Cabe aclarar que en la zanja de pie de presa, a la que se vincula el lecho drenante ubicado en la base del espaldón de aguas abajo, no se ha observado todavía presencia alguna de agua, ni tampoco se apreciaron aún filtraciones o humedades aguas abajo en el macizo de fundación. En la Fig. 6 se muestra la representación de la variación del nivel piezométrico, correspondiente al mencionado piezómetro G334, en función del nivel de embalse. Este gráfico, que corresponde al nivel piezométrico más elevado de los captores ubicados en arcilita roja ubicados al pie de presa, muestra un buen comportamiento de los materiales de fundación en su zona de influencia.

En las Figs. 7 y 8, se muestran las distintas zonas de la presa y la estratigrafía de las fundaciones, en correspondencia con la progresivas 4000 m (que representa la mayor parte de la margen izquierda) y 7315 m (que representa la zona de la garganta, donde la presa tiene la mayor altura). 3.1

el manto de calcarenita ubicado a nivel del plano de fundación de la zona interior de los espaldones. Se verifica escasa pérdida de carga hidráulica hacia aguas abajo. 3.2

Sección en la progresiva 4.000 m

En esta sección, la fundación del núcleo se encastra en el estrato de arcilita roja que allí tiene aproximadamente 10 m de espesor, debajo

Sección en Progresiva 1.100 m

CDP - NIVEL PIEZOMETRICO = f(N.Emb.) - G334

Figura 6

Nivel Piezométrico (m)

274 273 272 G334

271 270 275

276

277

278

279

280

281

Nivel Embalse (m)

Esta sección, cuya figura no se incluye por razones de espacio, corresponde a una zona cuyo seguimiento resulta de particular interés, por la singularidad que representa el banco de yeso remanente en la parte exterior de la fundación de los espaldones. Esta sección se encuentra instrumentada con cuatro piezómetros Casagrande con captores en

del cuál se encuentran caliza oquerosa y calcarenita con permeabilidad de orden superior a la permeabilidad de la arcilita mencionada. Esta situación hace que el escurrimiento se desarrolle principalmente a través de los materiales más permeables, donde se manifiesta una muy escasa caída de carga hidráulica.

Debajo del estrato permeable de calizas se encuentran margas de muy baja permeabilidad. En la Fig. 7 se muestran los niveles piezométricos al pie de presa y aguas abajo de la misma, de captores ubicados en el estrato de calizas.

los teóricos. Esta situación puede atribuirse a que por tratarse de materiales de baja permeabilidad, ubicados en cotas alcanzadas por el embalse más recientemente, no se haya alcanzado la saturación de todo el macizo de fundación. Se observa en esta sección la

3.3

presencia de un captor de piezómetro tipo Casagrande donde no se verifica presencia de agua.

Sección en progresiva 7.315 m

Esta sección se muestra en la Fig. 8. En general los instrumentos ubicados en la fundación muestran un comportamiento conforme con las previsiones del cálculo, con algunos valores inferiores a los esperables. En esta Figura, incorporada fundamentalmente para mostrar el perfil típico de la presa, solamente se representa el nivel piezométrico de un piezómetro tipo Casagrande ubicado al pie de presa. Los materiales de fundación en este tramo son de muy baja permeabilidad. 3.4 Sección en la progresiva 8.650 m (Típica de la terraza derecha) Los instrumentos ubicados en esta sección, cuya figura no se incluye por razones de espacio, muestran en general valores menores a

4.

ESCURRIMIENTOS

El cálculo de escurrimientos a través de la presa y su fundación actualizado, permite estimar el caudal total de los mismos en 120 l/s. Este valor si bien es superior al estimado en la etapa de proyecto, es un valor relativamente bajo y adecuado al comportamiento de la presa. 5.

CONCLUSIONES

Durante el desarrollo del llenado y operación del embalse, el análisis de los datos obtenidos de las lecturas de los piezómetros tipo Casagrande de la presa Casa de Piedra, permitió apreciar la necesidad de realizar investigaciones geológico-geotécnicas complementarias,

instalar piezómetros adicionales y efectuar rellenos de áreas deprimidas aguas abajo de la presa para mejorar los niveles de seguridad al levantamiento. La investigación geológico - geotécnica realizada permitió confirmar la continuidad de los estratos hacia aguas abajo, y ha mostrado que ni la arcilita roja de la margen izquierda, ni los demás materiales de la fundación presentaron alteración alguna de sus características geotécnicas luego de 6 años de iniciado el llenado del embalse. En cuanto a la seguridad al levantamiento de las zonas bajas ubicadas a más de 150 m del eje de la presa, la misma se ha llevado a valores adecuados mediante el relleno ejecutado, con gravas arenosas, hasta la cota 267 m y hasta 450 m de distancia del eje de la presa. La incorporación de más piezómetros tipo Casagrande ha permitido aumentar el control de las subpresiones a pie de presa y extenderlo en la zona, ubicada aguas abajo de la presa, que resulta influenciada por el embalse. AGRADECIMIENTOS Agradecemos especialmente al Ente Ejecutivo Presa Embalse Casa de Piedra su apoyo en la realización de los trabajos y haber autorizado la presentación de esta contribución. Cabe mencionar que fueron asesores de IATASA para la obra Casa de Piedra, en geotecnia, los Ings. O. Vardé y K. Szalay y en geoquímica el Dr J.C. Ferrero. REFERENCIAS Capdevila, E. y Massabie A. (1988) "Adecuación del proyecto de la presa Casa de Piedra debido a la presencia de yeso en un sector de las fundaciones" - Río Colorado, Argentina - X CAMSIF - La Plata, Bs. As. - Argentina. Capdevila, E. - Flores,R. - Reissian,E. - Vardé, O. (1990) "Presa Casa de Piedra. Su comportamiento durante la primera etapa del llenado del embalse". XI CAMSIF - Mendoza Argentina.

Capdevila, E. - Flores, R. - Reissian, E. Massabie, A. (1995) "Presa Casa de Piedra. X Congreso Panamericano de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones" México. Etchehon, A. - Speziale, J.F. (1989) "Difficult foundations characterize the Casa de Piedra scheme" - Water Power & Dam Construction - December 1989. Kloster, E.; García, L.; Carrillo, A.; Speziale, J.F.; Vardé, O.; y Capdevila, E. (1984) "Presa Casa de Piedra" - Río Colorado Argentina - VIII. CAMSIF - Neuquén Argentina. Massabie, A. y Capdevila, E. (1989) "Presencia de yeso en un tramo de las fundaciones de la Presa Casa de Piedra. Aplicación de una metodología de investigación geotécnica - Adecuación del diseño de la presa". Prim. Reunión de Comunicaciones sobre temas de Geología Aplicada a la Ingeniería - Córdoba, Argentina. Massabie, A. - Capdevila, E. (1995) "Presa Casa de Piedra, Argentina -Comportamiento geotécnico de las fundaciones aguas abajo de la obra durante el llenado"- X Congreso Panamericano de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones" - México. Speziale, J.F. (1995) "Condiciones Hidrogeotécnicas Singulares en Casa de Piedra" - X Congreso Panamericano de Mecánica de Suelos e Ingeniería de Cimentaciones - México. Vardé O. y otros (1989) XII International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Río de Janeiro.