1. No category

COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS
XXX – SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS
FOZ DO IGUAÇU – PR, 11 A 13 DE MAYO DE 2015
RESERVADO AO CBDB
DISEÑO DE JUNTA IMPERMEABLE - PRETIL CFGD CH ANGOSTURA
Rodrigo RECABAL
Ingeniero Civil Geotécnico - Endesa Chile S.A.
Hans ROSENFELD
Ingeniero Civil - Colbún S.A.
Resumen
Las investigaciones geotécnicas realizadas durante la construcción del Proyecto
Hidroeléctrico Angostura, indicaron que el suelo de fundación del pretil CFGD,
representado por limos de alta plasticidad no se encontraban consolidados. Luego
de realizar modelaciones y cálculos teóricos, se espera una abertura de 30 cm entre
pantalla y miniplinto, lo que implicó realizar un diseño especial de una junta
impermeable que fuese capaz de absorber tal movimiento.
El presente paper tiene por finalidad dar a conocer los desafíos enfrentados durante
la búsqueda de dicha junta impermeable entre los distintos proveedores, como dar a
conocer algunos resultados obtenidos en los ensayos de laboratorio que fueron
necesarios realizar para asegurar el cumplimiento de los requerimientos técnicos del
Proyecto.
Abstract
Geotechnical investigations during the Angostura hydroelectric project indicated that
the soil foundation CFGD dam, represented by high plasticity silts were not
consolidated. After performing modeling and theoretical calculations, an aperture of
30 cm between slab and plinth expected, implying make a special design of a
waterproof joint that was able to absorb such movement.
This paper aims to present the challenges faced during the search of the waterproof
joint between different suppliers as well as to present some results of the laboratory
tests that were necessary to perform to ensure compliance with the technical
requirements of project.
XXX Seminário Nacional de Grandes Barragens
1
1. INTRODUCCIÓN
El Proyecto Hidroeléctrico Angostura se encuentra emplazado en la Octava Región
del Biobío, provincia del Biobío, a unos 20 Km al este de Santa Bárbara, y a unos
480 km al sur de la ciudad de Santiago de Chile. Las obras se encuentran aguas
abajo de la confluencia de los ríos Biobío y Huequecura, específicamente en la
garganta conocida como Angostura El Piulo.
El proyecto contempla una presa principal de HCR de 60 m de altura y un pretil en la
ribera izquierda del río del tipo CFGD de 30 m de altura máxima y 1600 m de largo,
los cuales dan origen a un embalse de una superficie de 643 ha.
Figura 1. Vista aérea Proyecto Angostura
Durante la construcción del Proyecto de propiedad de Colbún e Ingendesa como
responsable de los diseños de detalle de las obras civiles, se realizaron
investigaciones geotécnicas adicionales a las existentes con el fin de investigar las
condiciones del suelo de fundación del pretil tipo CFGD, el cual está caracterizado
primeramente por un estrato de gravas arenosas y luego por un estrato denominado
glaciolacustre representado por limos de alta plasticidad.
Los resultados de la investigación geotécnica basada tanto en ensayos triaxiales
como ensayos de consolidación entregaron como resultado que el estrato de
glaciolacustre no se encontraba consolidado, por lo que hubo que evaluar las
deformaciones esperadas a lo largo de la vida útil del proyecto y su impacto en el
diseño del pretil.
1.1 CONDICIONES TOPOGRÁFICAS
El proyecto de ingeniería básica, realizado por terceros, consideró un trazado del eje
del pretil de tal manera que en su parte central en términos de longitud, el pie del
talud de aguas arriba se encontraba en distintas condiciones topográficas, siendo
esto representado por una menor cota, tal como se indica en la Figura 2.
XXX Seminário Nacional de Grandes Barragens
2
Figura 2. Condiciones topográficas presentes a lo largo del pretil.
Si bien lo anterior traería como beneficio un menor costo y en una menor dificultad
en la ejecución de las paredes moldeadas, dado que las profundidades proyectadas
en el material fluvial variarían 15 m en los sectores bajos y 55 m en sus sectores
altos, tendría como consecuencia la necesidad de realizar un análisis en cada una
de las secciones transversales, debido a sus distintas condiciones de carga y a la
distribución de tensiones en profundidad.
1.2 ANTECEDENTES GEOTÉCNICOS
Los antecedentes geotécnicos existentes durante la ingeniería básica señalaban que
el estrato de glaciolacustre se encontraba normalmente consolidado, por lo que
durante la construcción se realizaron 3 nuevos sondajes de 60 m con extracción de
testigos para la realización de ensayos principalmente de consolidación con el
objetivo de determinar el estado tensional en dicho estrato.
De cada uno de los ensayos de consolidación, considerando el perfil estratigráfico
obtenido en los sondajes se observó que la presión de preconsolidación de cada una
de las muestras ensayadas correspondía aproximadamente a la tensión inicial
efectiva de terreno, por lo que se concluyó que efectivamente el estrato de
glaciolacustre se encontraba normalmente consolidado o con un muy bajo nivel de
preconsolidación, tal como se observa en la Figura 3. Además se realizaron ensayos
triaxiales tipo CIU, de los cuáles se observó que las muestras ensayadas
presentaban un comportamiento contractivo,
XXX Seminário Nacional de Grandes Barragens
3
Figura 3.Curva de ensayo edométrico representativa.
2. MODELAMIENTO TEÓRICO
Con la nueva información recopilada se realizó un análisis de tensiones y
deformaciones del glaciolacustre, considerando que la fundación del pretil CFGD
está apoyado sobre un material fluvial de potencia variable (14 a 60 m aprox.), luego
el depósito de glaciolacustre no consolidado (limos) de potencia variable (15 a 160 m
aprox.) y finalmente el basamento rocoso.
Debido a la gran longitud que tiene el pretil sur (1600 m aprox.) y a las diferencias
topográficas existentes sobre el eje de éste, se consideraron 13 secciones para un
análisis longitudinal, distanciadas entre ellas 120 m.
De cada una de las secciones, se realizó además un análisis de las deformaciones
en sentido transversal, con el objetivo de obtener los asentamientos diferenciales
que estaría condicionando el comportamiento de las juntas perimetrales, es decir,
unión entre la pantalla y el miniplinto.
El análisis realizado indicó que una vez finalizado el relleno del pretil hasta la cota de
proyecto y construida la pantalla de hormigón para su posterior llenado del embalse,
las deformaciones esperadas en 100 años serían en promedio 40 cm (eje del pretil),
siendo la máxima de 65 cm, tal como se indican en la Figura 4, mientras que las
deformaciones bajo el plinto son claramente superiores en las zonas de mayor altura
de la presa (Figura 5).
XXX Seminário Nacional de Grandes Barragens
4
Figura 4: Asentamiento Longitudinal bajo eje central del pretil.
Figura 5: Asentamiento Longitudinal bajo plinto.
Para efectos de mitigar dichas deformaciones en sentido longitudinal en las zonas de
cambio de sección de pretil por condiciones topográficas, se consideró en el diseño
de ellas, anchos de pantallas de 7,5 m en vez de los 15 m, como también se dispuso
de elementos impermeables entre ellas capaz de deformarse 5 cm.
Para el análisis de las deformaciones en sentido transversal en cada una de las
secciones, se ha considerado que una vez construida la pantalla de hormigón, ésta,
al igual que el miniplinto, acompañará la deformación del relleno según sean las
deformaciones por consolidación, no obstante se ha considerado que la pantalla es
indeformable por lo que generará una abertura en la unión de la pantalla con el
miniplinto, tal como se esquematiza en la Figura 6.
XXX Seminário Nacional de Grandes Barragens
5
Figura 6: Esquema de deformación y abertura de junta perimetral.
Los valores obtenidos para cada una de las secciones se podrían dividir en dos
zonas, la primera correspondería a la zona en que el pretil es uniforme y de menor
altura y la segunda en la zona de menor cota topográfica o bien en donde el pretil es
de mayor altura (Figura 2).
En resumen se tiene que en la primera zona la abertura será en promedio de 6 cm
con un máximo de 12 cm y en la segunda zona un promedio de 27 cm con un
máximo de 35 cm.
3. DISEÑO DE JUNTAS
3.1 REQUERIMIENTO TÉCNICOS
Dado lo anterior, se requería en el diseño de la junta perimetral un sello especial que
fuese capaz de deformarse 30 cm, bajo una carga de 3 kg/cm2, manteniendo la
impermeabilidad del sistema. Adicionalmente se dispondría sobre la junta perimetral
un material areno limoso (relleno tipo 1A) con el fin de sellar posibles filtraciones,
manteniendo el sello de cobre en la parte inferior de dicha unión (Figura 7), con el fin
de disponer de más de una línea de defensa.
XXX Seminário Nacional de Grandes Barragens
6
Figura 7: Esquema de unión miniplinto-pantalla.
3.2 ENSAYOS REALIZADOS
Además de los ensayos que se realizan para la determinación de la calidad del
material, se solicitó a los distintos proveedores la realización de ensayos específicos
que permitieran evaluar y asegurar el funcionamiento de éstos a lo largo de la vida
útil del proyecto. Una vez que se fueron desarrollando y evolucionando cada una de
las propuestas de los proveedores, los ensayos que finalmente se solicitaron, fueron
los siguientes:
-
Resistencia del conjunto membrana impermeable + geotextil bajo una carga
de 6 kg/cm2 (que considera un factor de seguridad de 2) y con una abertura
máxima de 30 cm.
-
Impermeabilidad del sistema, enfocado principalmente a evaluar la conexión
del sistema con el hormigón.
-
Resistencia a la tracción del sistema de fijación (pletina + pernos) en el
hormigón.
XXX Seminário Nacional de Grandes Barragens
7
4. DESARROLLO DE JUNTAS
Dentro de las ofertas existentes en el mercado, se estudiaron distintas alternativas
con 3 proveedores conocidos a nivel mundial, los cuáles han participado en
innumerables proyectos dentro del ámbito hidroeléctrico.
4.1 EVOLUCIÓN EN EL DISEÑO
A continuación se adjunta algunas fotografías y/o esquemas con la evolución de
cada uno de los diseños y la propuesta final realizado por los distintos proveedores.
En la Figura 8 se observa el primer diseño propuesto (a.) por el Proveedor A,
correspondiente a una membrana de EPDM de 7 mm de espesor, que luego de
realizar el ensayo bajo una carga hidráulica, se observó la necesidad de disponer un
elemento resistente responsable de restringir la elongación y absorber los esfuerzos.
Para lo anterior se propuso la utilización de mallas bidireccionales, conocida como
aramida (fibra sintética tipo Kevlar), la cual se dispondría bajo el sistema
impermeabilizante (c.), siendo ésta la propuesta final.
Dicho sistema estaría dispuesto sobre la unión de la pantalla con el miniplinto,
anclado al hormigón mediante la utilización de epóxico más la colocación de pletina
y pernos distanciado cada 15 cm.
Figura 8: Evolución diseño – Proveedor A.
En la Figura 9, se observa las primeras dos propuestas (a. y b.) realizadas por el
Proveedor B, las que consisten en un elemento impermeable (elastómero) de 12mm
de espesor. No obstante, durante los ensayos realizados, se observó que éstos se
deformaban hasta llegar a su rotura, por lo que la propuesta técnica final, consistió
en disponer de un elemento resistente (lámina de cobre) bajo el sistema
impermeable, con el fin de absorber las deformaciones (c.).
XXX Seminário Nacional de Grandes Barragens
8
Figura 9: Evolución diseño – Proveedor B.
El Proveedor C, inicialmente propuso la geometría indicada en la Figura 10 (a.), no
obstante, luego de evaluar la situación y geometría del miniplinto propuso una
solución técnica consistente en una membrana impermeable de 3 mm soportada por
un geotextil de poliéster isotrópico. El sistema de fijación al hormigón estaría dado
por una primera adherencia con pegamento de resina epóxica y posterior prensado a
través de una pletina de acero con pernos distanciados a cada 15 cm, que para
efectos de distribución de carga uniforme, cada uno de los pernos serían sometidos
a un torque predeterminado, tal que el sistema de perno pueda absorber toda la
fuerza de anclaje.
Figura 10: Evolución diseño – Proveedor C.
XXX Seminário Nacional de Grandes Barragens
9
4.2 ENSAYOS Y RESULTADOS
Tal como se ha indicado anteriormente, a cada uno de los proveedores se les solicitó
llevar a cabo una serie de ensayos con el fin de asegurar el cumplimiento de los
requerimientos necesarios para el Proyecto.
4.2.1 Proveedor A
En la Figura 11, se observa el sistema de ensayos realizados por el Proveedor A,
donde en la parte a-) se observa una caja rectangular responsable de evaluar la
impermeabilidad del sistema y determinar la capacidad de carga bajo presión
hidrostática.
La caja rectangular disponía de una abertura de 30 cm, por requerimiento de
proyecto con una longitud de 140 cm, con el fin de disminuir los efectos de las
condiciones de borde en el comportamiento. Los resultados fueron satisfactorios,
donde primeramente no se observaron filtraciones y el sistema soportó más de 6
kg/cm2 con una deformación en el centro de la junta de 61 mm.
Con el resultado anterior, fue posible determinar de manera simplificada el esfuerzo
que estaría actuando en el sistema de conexión entre la junta y el anclaje en el
hormigón. Dado lo anterior se llevó a cabo un segundo ensayo (Figura 11b.)
verificando así el cumplimiento de la resistencia del sistema propuesto, basado en
una pletina de acero inoxidable con disposición de pernos cada 15 cm.
Finalmente para evaluar condiciones intermedias de abertura de la junta, se llevó a
cabo el último ensayo en una cámara cilíndrica (Figura 11c.) simulando
deformaciones de 5 cm hasta llegar a la condición máxima (30 cm), obteniendo
resultados favorables.
Figura 11: Sistema de Ensayos – Proveedor A.
XXX Seminário Nacional de Grandes Barragens
10
4.2.2 Proveedor B
En la Figura 12, se observa el sistema de ensayo realizado por el Proveedor B,
donde realizaron un modelo a escala real, en la que se evaluó 2 posibles vectores de
deformación, ambos de 30 cm de abertura, en la que uno prevaleció la abertura en
sentido vertical entre bloques, mientras que el otro en sentido horizontal.
Los ensayos iniciales se realizaron únicamente con el elastómero. En uno de los
ensayos se llegó a la ruptura de la junta antes de la carga de diseño, observando
que el causante de ello correspondió al mismo epóxico dispuesto entre el hormigón y
la junta, que al endurecer de manera irregular, parte de éste generó un
punzonamiento en la junta, concluyendo así la necesidad de evitar los cantos o
aristas vivas del propio hormigón y ajustar la cantidad de epóxico a utilizar.
En el segundo ensayo, en la que prevaleció la abertura en sentido horizontal, se
observó que frente a la ausencia de un soporte del elastómero, las deformaciones
llegaban a magnitudes inaceptables, por lo que se repitió el ensayo pero con la
colocación de un soporte de cobre, el cual se llegó a la carga requerida sin
inconvenientes.
En la Figura 12a, se observa la caja utilizada en el ensayo, representando las
mismas condiciones de proyecto en términos de dimensiones y movimientos
esperados. En la parte b-) de la Figura 12, se puede observar el montaje de una de
las juntas ensayadas, indicada en la Figura 9a, pero en su condición de máxima
abertura.
Figura 12: Sistema de Ensayos – Proveedor B.
Posteriormente el diseño es reevaluado, resolviéndose que el diseño final dispusiera
de una lámina de cobre bajo el elastómero, anclado en el mismo hormigón, e
independizando el elemento impermeable del sistema responsable de absorber los
esfuerzos.
XXX Seminário Nacional de Grandes Barragens
11
4.2.3 Proveedor C
En la Figura 13, se observa el sistema de ensayos realizados por el Proveedor C,
donde al igual que el Proveedor A, se realizaron ensayos de manera independiente
para evaluar el sistema en cada uno de sus requerimientos.
Inicialmente se evaluó la resistencia del sistema de membrana y geotextil, mediante
una cámara cilíndrica hermética (Figura 13a.) de 100 cm de diámetro interno con
una abertura de 30 cm de ancho con una longitud de aproximadamente 92 cm. La
carga de ensayo se mantuvo por un par de días en 6,0 kg/cm 2 (factor de seguridad
2), sin ningún inconveniente, observándose una deformada de 82 mm. Al analizar
numéricamente los resultados se obtuvieron elongaciones cercanas al 5% y
esfuerzos cercanos a 10 toneladas por metro lineal en el geotextil.
Debido a que el ensayo anterior no tenía contemplado el sistema de fijación
mediante pernos y pletinas, la evaluación de la efectividad de conexión del punto de
vista de permeabilidad, se realizó a través de un ensayo efectuado en otra cámara
hermética (Figura 13c.), en la que dentro de su configuración se dispuso de vías
preferenciales facilitando que eventuales filtraciones pudiesen migrar. Si bien
existieron filtraciones reflejadas en mínimas gotas, éstas se consideraron
despreciables.
Figura 13: Sistema de Ensayos – Proveedor C.
Finalmente se evaluó la resistencia de conexión (pletina de acero y pernos cada 15
cm) a través de un tercer ensayo (Figura 13b.), con el fin de cumplir con los
esfuerzos que se generarán debido a la carga de diseño y la deformada esperada
del sistema. El resultado del ensayo entregó una fuerza de ruptura cercana a las
10,4 toneladas por metro lineal, si bien los valores son muy cercanos al
requerimiento de carga con su respectivo factor de seguridad (2,0), existe una
componente de roce entre el geotextil y el hormigón generado por la presión de agua
que disminuiría el esfuerzo solicitante en el sistema de conexión. Dicha situación se
evaluó mediante modelaciones matemáticas, observando dicho fenómeno, por lo
que se consideró tal situación como un factor favorable adicional para el Proyecto.
XXX Seminário Nacional de Grandes Barragens
12
5. CONCLUSIONES
Del desarrollo de cada una de las soluciones propuestas por los distintos
Proveedores de juntas y de los ensayos realizados, se concluyó que la solución
técnica para la junta del Proyecto, capaz de deformarse 30 cm y resistir una carga
hidrostática de 6 kg/cm2, debiese consistir en la colocación de una membrana
impermeable soportada por un sistema flexible y resistente, siendo éste último
responsable de soportar los esfuerzos. Por otro lado se observa que además de la
fijación del sistema de junta con epóxico hacía el hormigón, se requiere de un
sistema de prensado a través de una pletina de acero inoxidable con pernos
distribuidos de manera equidistante que otorgue total seguridad al sistema de
anclaje.
En este sentido se consideró que la solución con lámina de cobre, como elemento
soportante, ofrecido por el Proveedor B, presentaba el inconveniente de no presentar
una suficiente flexibilidad para los movimientos esperados en las juntas del Proyecto.
La exigencia de llevar a cabo ensayos específicos permitió avalar la efectividad del
sistema de junta impermeable necesario para el Proyecto. Además, durante el
desarrollo de éstas, permitió que los Proveedores fuesen ajustando los diseños de
las juntas en función de los resultados.
Colbún optó finalmente por seleccionar la propuesta del Proveedor C, que
cumpliendo plenamente con las exigencias anteriormente descritas, ofreció una
aplicación de mayor simpleza y confiabilidad.
Palabras-Clave: Junta Impermeable, CFGD, Plinto.
XXX Seminário Nacional de Grandes Barragens
13