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COMITÉ NACIONAL ESPAÑOL DE GRANDES PRESAS
ESTUDIO DE FILTRACIONES UTILIZANDO EL MÉTODO
WILLOWSTICK EN LA PRESA DE SANT LLORENÇ DE
MONTGAI
Carlos Aguilar Moreno1
Amador Almagro Morales2
Francisco Jose Conesa3
Carlos Quintilla4
RESUMEN: El embalse de Sant Llorenç de Montgai , situado en el río Segre,
en la provincia de Lleida, se cierra mediante una presa de hormigón y un dique
de tierras de 1 km aprox. Dicho dique ha sufrido problemas de filtraciones y
subsidencias desde su construcción en los años 20, debido a fenómenos de disolución de yesos en el sustrato, que se han ido tratando mediante inyecciones
desde coronación. Para el análisis de la situación del sustrato se ha estudiado
los antecedentes geológicos existentes, y se ha colaborado con la Universidad de
Barcelona en la realización de diversos estudios geofísicos. Debido a que estos
métodos no han sido concluyentes, se ha realizado por primera vez en España
un estudio con el método Willowstick para mapear en 3D las trayectorias de las
filtraciones través del sustrato por debajo del dique de tierras. El método se basa
en crear una corriente eléctrica alterna, muy conocida y no armónica con las convencionales, comunicando el embalse con las surgencias y medir el campo magnético en superficie para deducir las trayectorias de las filtraciones. El método ha
identificado 4 zonas de filtración preferente, que han permitido concentrar los
trabajos de inyección a esas cuatro zonas.
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Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos, PGR Consultores S.L.
Ingeniero Técnico de Obras Públicas, PGR Consultores S.L.
Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos, ENDESA Generación – UPH Ebro Pirineos.
Arquitecto Técnico, ENDESA Generación – UPH Ebro Pirineos.
1. INTRODUCCIÓN
1.1. ANTECEDENTES
La presa de Sant Llorenç de Montgai se encuentra en el río Segre, entre los
municipios de Camarasa al norte y al sur Cantaperdius.
La presa se compone de dos tipologías de sección: (1) una sección de hormigón, de 164 metros de longitud, que se extiende por el río Segre, y (2) un
dique de tierras de 1.015 metros de longitud (ver Figura 1).
Figura 1 – Presas de hormigón y dique de tierras
El dique de tierras consiste en un revestimiento de arcilla impermeable y
una zanja de corte en la cara de aguas arriba del terraplén. Arena y grava conforman el cuerpo principal y la cara aguas abajo del terraplén.
El revestimiento impermeable de arcilla está cubierto por una tela geotextil
de PVC y un revestimiento de mampostería. La zanja de corte se extiende hacia abajo a través de la parte superior del suelo y gravas nativas para alcanzar
el sustrato de roca relativamente impermeable (véase la Figura 3).
Este sustrato está compuesto principalmente por margas y margas con algunas vetas de yeso los cuales son vulnerables a la disolución.
Como consecuencia de esta disolución, se producen filtraciones por debajo
de la presa como se evidencia por la presencia de zonas de hundimiento que
se han formado en la parte inferior del embalse (véase la Figura 1). La propia
presa ha sufrido estos hundimientos en su estructura, siendo éstos visibles a
simple vista.
La propiedad de la presa, durante sus más de 80 años de vida útil, ha realizado en un esfuerzo por minimizar estas filtraciones mediante repetidas
campañas de inyección. Debido a la gran extensión del dique (del orden del
kilómetro), las campañas se han realizado de manera histórica o bien en aquellas zonas donde se producían mayores asentamientos o bien en zonas donde
desde la superficie parecían más vulnerables. También se han realizado estudios con otras técnicas geofísicas, pero éstas no eran concluyentes a la hora
de determinar las zonas más vulnerables.
Así pues, se requería de una técnica que ayudara en la determinación de la
red de filtraciones para poder ser más eficiente en las campañas de impermeabilización y consolidación, permitiendo ahorrar recursos.
1.2 OBJETIVO DE LA INVESTIGACIÓN
El objetivo en la realización de la investigación geofísica Willowstick es ayudar a caracterizar el flujo de filtraciones por debajo del dique de tierras, así
como demostrar la tecnología de mapeo de aguas subterráneas de Willowstick.
Los resultados de la investigación tienen el propósito de proporcionar información sobre rutas de flujo de filtración con el fin de evaluar, supervisar y posiblemente reparar problemas de filtración.
Debido a que los estratos saturados actúan como buenos conductores eléctricos del subsuelo, la tecnología geofísica empleada para la investigación
energiza la presa y su fundación con una corriente eléctrica conocida. Esta
corriente eléctrica se ajusta a las zonas saturadas de agua por debajo de la
presa. Al identificar el flujo preferencial de la corriente eléctrica entre el embalse y los pozos de monitoreo aguas abajo, la tecnología puede responder
con éxito a preguntas sobre por donde se filtra el agua desde el embalse, donde se origina y cómo se mueve debajo del dique. Comprender la localización y
extensión de la filtración debajo de la presa es de gran valor para proyectar
una reparación.
Aunque la tecnología puede identificar zonas de filtración de flujo preferencial, no identifica directamente el volumen de agua o de la dirección del flujo
de agua subterránea. Mientras que la dirección del flujo se puede suponer con
seguridad si se conocen elevaciones, las tasas de filtración de flujo deben ser
determinados por otros métodos de campo.
2. METODOLOGÍA WILLOWSTICK
La tecnología Willowstick ha sido utilizada con éxito en muchas presas de
tierra y hormigón para identificar, planificar y modelar las trayectorias de filtración preferenciales. Si el lector no está familiarizado con la metodología, se
sugiere que el lector consulte el Libro Blanco de Willowstick de la página web
de Willowstick (www.willowstick.com). El Libro Blanco presenta información
detallada acerca de cómo se utiliza la tecnología para caracterizar las zonas de
alta porosidad y vías preferentes de flujo subsuperficial. El Libro Blanco también se puede utilizar como una referencia para ayudar a explicar algunos
conceptos del proceso de exploración y de diagnóstico.
2.1 CONFIGURACIONES DE LA DE TOMA DE DATOS
Teniendo en cuenta la longitud de la presa, se emplearon cuatro configuraciones diferentes de toma de datos (en adelante Campañas) para la investigación. La Figura 2 muestra las cuatro áreas de estudio descritas por diferentes
polígonos.
Figura 2 - Cobertura de las tomas de datos en el dique
2.2 CONFIGURACIÓN DEL DIPOLO HORIZONTAL
La figura 3 presenta un esquema de la sección transversal típica de un dipolo horizontal que se utiliza para la investigación.
Figura 3 - Configuración típica del dipolo horizontal
Una configuración de dipolo horizontal utiliza un electrodo en el embalse, y
un electrodo aguas abajo en contacto con una filtración o un pozo de control.
El enfoque general para la configuración de dipolo horizontal consiste conseguir un flujo corriente eléctrica alterna con una frecuencia conocida específica
(380 Hertz) entre los electrodos colocados estratégicamente a cada lado del
dique. El flujo de corriente eléctrica entre los electrodos apareados, genera un
campo magnético reconocible que se mide desde la superficie de la tierra sobre
el área de estudio.
El campo magnético se utiliza para identificar la distribución del flujo de
corriente eléctrica a través de, debajo y alrededor del dique. Mediante la identificación de las trayectorias de flujo eléctrico entre los electrodos colocados estratégicamente, se puede inferir la trayectoria de las filtraciones.
Tenga en cuenta que las estaciones de medición se limitan a la superficie
del talud. El área de estudio del subsuelo mejor caracterizada por las estaciones de medición, se encuentra por debajo de las estaciones de medición, mostrada en la Figura 3 con un círculo punteado negro.
Normalmente, una campaña cubre todo el terraplén incluyendo la porción
sumergida bajo agua, teniendo en cuenta la subsuperficie por debajo del paramento de aguas arriba de la presa y su pie. Para ello es necesario realizar
mediciones desde un barco. Debido a las limitaciones presupuestarias y el
tiempo asignado para llevar a cabo la investigación, las mediciones de agua
superficial se omitieron en el estudio. Sin embargo, los puntos de medición del
estudio y la densidad eran suficientes para identificar trayectorias de flujo de
filtración por debajo del dique.
2.3
TRATAMIENTO DE DATOS
Después de recoger los datos de los campos magnéticos, los datos se reducen, normalizan, y se someten a un filtrado y un criterio de control de calidad
preparándolos para el modelado y la interpretación.
La continuidad del circuito, la intensidad del campo magnético, y la relación señal-ruido ratios fueron buenos en las cuatro campañas, indicando que
son datos de calidad. El ruido de fondo (media de ruido de campo ambiente,
determinada a partir de un muestreo de varias frecuencias en el espectro de
ruido) se mantuvo baja y constante durante toda la toma de datos.
3. ESTUDIO
La figura 4 presenta a modo de ejemplo el diseño de la campaña para estudia la zona más cercana al estribo derecho.
Figura 4 – Configuración de una campaña
Dentro de la zona de estudio de se establecieron estaciones de medición en
una cuadrícula de 10x10 m. Muchas estaciones de medición fueron tomadas
varias veces para fines de control de calidad.
La posición y la elevación de cada estación de medición se registran como
parte del trabajo de campo, que es fundamental para las medidas de control
de calidad, procesamiento de datos, el modelado y la interpretación.
Los electrodos y cable del circuito deben encontrarse fuera de la zona de
estudio tanto como sea posible debido a la fuerte influencia del campo magnético alrededor de ellos.
3.1
MAPA DE RELACIÓN DE RESPUESTA
El campo magnético de datos "en bruto" no está destinado a ser interpretado directamente. Para interpretar los datos, debe ser comparado con el modelo
de campo magnético predicho basado en el flujo uniforme en una tierra eléctricamente homogénea. Esto hace que la concentración de corriente eléctrica
debido a la heterogeneidad o los cambios en la conductividad, tales como filtraciones destaquen, lo que facilita en gran medida la interpretación y modelado.
Al dividir el mapa de campo magnético medido por el mapa de campo magnético predicho, se crea un mapa de relación de respuesta que elimina el sesgo
de corriente eléctrica a partir del conjunto de datos y muestra las áreas de flujo de corriente eléctrica anómala-mayor o menor que predicho (véase la Figura
5).
Figura 5 - Ejemplo Mapa Ratio Respuesta de la Zona 1
3.2
MODELO ECD
Debido a que el campo magnético sólo se mide desde la superficie del suelo
(por encima de trayectorias de flujo preferenciales y no completamente alrededor de ellos), es difícil de identificar con algún grado de certeza la posición
exacta o profundidad preferencial de flujo de corriente eléctrica sin modelado.
Para determinar una posición y la profundidad más precisa, los datos de respuesta de relación son procesados por un algoritmo de inversión (modelo matemático) diseñado para predecir científicamente la distribución del flujo de
corriente eléctrica en el espacio tridimensional dentro de la zona de estudio del
subsuelo. El resultado de inversión se conoce como una distribución de corriente eléctrica o modelo ECD.
Willowstick utiliza el software MATLAB para generar y analizar datos sobre
el volumen de inversión modelo ECD. El visor de modelo ECD puede generar
las rebanadas en cualquier posición de elevación o sección transversal dentro
del volumen como se demuestra en la Figura 8.
Además del modelo de ECD, también se creó un modelo de sitio 3D para
mostrar las características del sitio pertinentes en relación con las rebanadas
modelo ECD.
Para facilitar el análisis e interpretación de datos, se presentan en el modelo 3D secciones del modelo ECD de los distintos estudios.
A modo de ejemplo, para describir con más detalle el flujo de filtración alrededor del extremo del terraplén de ingeniería, la Figura 6 presenta un conjunto de secciones verticales tomadas del modelo de ECD de la zona 1.
Figura 6 - Estudio # 1 Modelo ECD
Este conjunto de rebanadas están integrados en el modelo de sitio 3D para
el análisis y presentación. Esta cifra incluye la topografía de la superficie de la
presa, así como la carretera que recorre la orilla oeste del embalse. Se puede
observar como en el sombreado más intenso (de alta densidad de corriente
eléctrica) se produce a través y por debajo de la orilla occidental y no a través
o por debajo de la presa al sur de la estación 820. Alrededor de la estación
820, el dique de ingeniería parece apoyarse en el estribo izquierdo. Se observa
una zona de transición entre la estación 820 y 875, donde el sombreado en el
modelo cambia lo que sugiere que la corriente eléctrica fluye preferentemente
alrededor de lo que se cree que es el final del dique de ingeniería a través de
materiales de terreno natural.
Figura 7 - Estudio # 3 Modelo de filtraciones de las zonas 2 y 3
En la Figura 7 tenemos otro ejemplo del modelo ECD ahora en las zonas 2
y 3. Las aspas indican caminos de flujo de infiltración preferencial que parecen producirse en la zona de grava.
Los arcos tendidos debajo de cada "X" significan el "efecto de sombra" que
se presenta a partir un camino de filtración detectado.
Una buena analogía para explicar el efecto de la sombra es pensar en la estudio como la luz de una linterna en algo desde arriba. Si hay un objeto sólido
(la trayectoria de flujo u otra vía conductora) de la parte superior se iluminará,
pero una sombra será echado por debajo del objeto. Observe cómo las zonas
de sombra verde extienden bajando por el modelo.
En general en el estudio, no se ha encontrado ningún indicio de que se
produzcan filtraciones a través del cuerpo de presa. Más bien, es probable que
los flujos de filtración se produzcan por debajo de la zanja de corte y luego hacia arriba en la zona de grava debajo de la presa. Esto puede observarse en
detalle en la figura 8 en una zona cercana a la presa de hormigón.
Figura 8 - Estudio # 4 Modelo Sección 4B-4B (Estación 140 m)
4 CONCLUSIONES Y RESULTADOS
La investigación identificó cuatro zonas de infiltración preferencial. Se
identificó una zona de filtración (Zona 1) que bypasea la presa por su estribo
norte. Las filtraciones de las zonas 2, 3, y 4 se producen por debajo de la pantalla de impermeabilización como se indica en la Figura 9. No hubo filtraciones
observadas a través de los materiales propios del cuerpo de presa.
Los resultados de la investigación ayudarán a tomar decisiones sobre cómo
identificar aun más, supervisar y/o posiblemente remediar las filtraciones del
embalse a través de la presa entre las estaciones 120 y 1015.
Figura 9 - Resumen de las filtraciones detectadas
Cabe señalar que si bien la tecnología mapea las trayectorias de flujo de corriente eléctrica preferenciales, no identifica directamente la cantidad de agua
que fluye a través de una zona de filtración. No obstante si que nos permite
realizar una clasificación cualitativa de las misas. Esto servirá para priorizar
las inversiones en inyecciones.
Es de especial interés la gran zona de filtración detectada en el estribo de la
margen derecha, puesto que se trata de una zona que se había considerado
impermeable en el pasado y no se habían realizado campañas de impermeabilización.