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INSTRUMENTACIÓN GEOTÉCNICA DE PRESAS Dam Geotechnical Instrumentation

Medina Huallpa, Franklin, Ing. Geológo, Msc. Gerente del Área de Geotecnia e Instrumentación Geotécnica, Geoinstruments International S.A.C., Lima,

[email protected], [email protected]

Choque Quispe, Keli Roxani. Geológo-Geotécnico del Área de Geotecnia e Instrumentación Geotécnica, Geoinstruments International S.A.C., Lima,

[email protected]

Ysuiza Romero, Jorge Armando. Geólogo-Geotécnico del Área de Geotecnia e Instrumentación Geotécnica, Geoinstruments International S.A.C., Lima,

[email protected], [email protected]

RESUMEN

El presente artículo se enfoca en definir la instrumentación geotécnica necesaria para la construcción de una

presa y sirva de metodología en el diseño de la instrumentación geotécnica. Se investigó las necesidades de

monitoreo que se presentan en los distintos tipos de presas, el tipo de instrumentación que se utiliza y su

ubicación en el cuerpo de la presa. Dicha instrumentación garantizará un correcto control y monitoreo de los

fenómenos que se desarrollan durante la construcción y post-construcción como la infiltración del agua a través

de la estructura de retención, movimientos horizontales o verticales, asentamientos, deformaciones, presión de

poros generados por el agua, estos parámetros geotécnicos deben ser siempre analizados para conocer como se

comportará la obra en el tiempo. Un proyecto que contenga todos estos instrumentos tecnológicos podría tener

un alto costo; el mejor diseño no necesariamente es el que contiene mayor número de equipos geotécnicos, un

buen diseño de instrumentación es la que debe optimizar el número y tipo de instrumentos a colocar controlando

estrictamente lo necesario, pero sin dejar de lado la seguridad del proyecto. Finalmente, con esta información

se procede brindar una posible localización de la instrumentación y la descripción específica de los instrumentos

necesarios para una presa.

ABSTRAC

This article focuses on defining the geotechnical instrumentation required for the construction of a dam and serve

as a methodology in the design of geotechnical instrumentation. Investigated monitoring needs presented in

different types of dam, the type of instrumentation used and its location in the body of the dam. This

instrumentation will guarantee correct control and monitoring of phenomena that are developed during

construction and post-construction as water infiltration through the retention structure, horizontal or vertical

movements, settlements, deformations, pore pressure generated by the water, these geotechnical parameters must

always be evaluated to as the work will behave over time. A project containing all these technological instruments

could have a high cost; the best design is not necessarily the one that contains the largest number of geotechnical

equipment, instrumentation good design is the one to optimize the number and type of instruments will strictly

controlling necessary, but without neglecting the safety of the project. Finally, this information is necessary to

provide a possible location of the instrumentation and specific description of the instruments necessary for a

dam.

Palabras Clave: presa de tierra, presa de concreto, instrumentación, monitoreo, nivel freático, presión de poros.

1. Introducción

En la actualidad debido a la aparición de nuevas necesidades

para cumplir con los requerimientos de la sociedad, se han

construido grandes infraestructuras como por ejemplo: Presas

de relaves, Pad de lixiviación para minería; Presas de agua,

entre otros proyectos de construcción; que por su importancia

deben ser controladas a través de un programa de

instrumentación para ser monitoreados y controlar el buen

funcionamiento de las presas, es en ese sentido se generan

interrogantes como: ¿Cuánto de presión hidrostática presenta?,

¿Cuánto se ha asentado? o ¿Cuánto se ha desplazado? Es allí

donde la instrumentación Geotécnica juega un papel

importante proporcionando información útil para mantener

márgenes de seguridad y alertar ante cualquier situación de

riesgo, de esa manera tomar las mejores decisiones para

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realizar medidas correctivas y solucionar los inconvenientes

presentados.

2. Instrumentación Geotécnica

La Instrumentación Geotécnica tiene como uno de sus

objetivos básicos medir la respuesta del terreno ante

determinadas variaciones, que puedan ocurrir en las

condiciones de su entorno, las cuales pueden ser debidas a la

ejecución de obras de ingeniería y fenómenos naturales. La

mayoría de movimientos significativos se clasifican como

vertical, horizontal (traslacional) y rotacional. Los

movimientos verticales, son los indicadores de asentamientos.

Los movimientos horizontales o traslacionales se refieren a

movimientos que son aproximadamente perpendiculares al eje

de la presa.

Aunque las presas son muy similares en sus características, el

diseño de la instrumentación varia para cada una de ellas, pero

en general, lo mínimo que se plantea instalar para un control

adecuado son piezómetros de cuerda vibrante, piezómetros

hidráulicos Tipo Casagrande, celdas de asentamiento,

inclinómetros y acelerógrafos. Por lo que la marca, cantidad y

ubicación serán determinadas para obtener datos y resultados

suficientes y de calidad.

A continuación, presentamos los diseños típicos, según el tipo

de presa que se presente.

Diseño de Instrumentación típica de una Presa de Tierra.

Figura 01: Detalle del diseño de Instrumentación típica de una

Presa de Tierra. Fuente: www.geokon.com (con fines Ilustrativos

Diseño de Instrumentación típica de Presa de concreto.

Figura 02: Detalle del diseño de Instrumentación típica de una

Presa de Concreto. Fuente: www.geokon.com (con fines Ilustrativos)

2.1. Sistema de Cuerda Vibrante

Son transductores de presión que funcionan utilizando la

frecuencia de vibración de un alambre conectado a un

diafragma metálico flexible. Esta se rige a la siguiente

ecuación.

Donde:

f: Frecuencia de Resonancia (Hz)

L: Longitud del alambre

t: Tensión del alambre

m: Masa por unidad de longitud del alambre

m

t

Lf

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Figura 03: Esquema típico del funcionamiento de

Cuerda vibrante. Fuente: RST Instruments Ltd.

Los sensores de cuerda vibrante tienen ventajas únicas en

aplicaciones geotécnicas, como son: La salida de frecuencia del

medidor es inmune al ruido eléctrico externo, capaz de tolerar

cableado húmedo sin degradación de la señal, y capaz de

transmitir la señal de hasta 1,6 kilómetros sin pérdida.

3. Piezómetros

Los piezómetros son instrumentos utilizados para medir

presiones de agua durante la construcción y funcionamiento de

una presa, también se utiliza para medir el nivel de la superficie

freática producida por la infiltración del agua a través de los

taludes y cimientos relativamente permeables de la estructura.

3.1. Piezómetro de tubo abierto Tipo Casagrande

Estos son pozos de monitoreo que sirven para medir el nivel

piezométrico del agua subterránea o nivel freático y se basan en

el principio de diferencia de presiones del agua dentro de un

terreno. Estos piezómetros consisten en perforaciones o

sondeos que atraviesan el nivel freático seguido por la inserción

de un revestimiento de PVC de 2” de diámetro, ranuradas en el

fondo para que pueda ingresar el agua subterránea que se

requiere medir y se coloca un filtro de arena alrededor de la

tubería piezométrico. El nivel de agua se mide con un detector

de nivel de agua (Water level), las medidas son tomadas

directamente desde la superficie lo cual permite determinar el

nivel piezométrico del agua subterránea.

Figura 04: Esquema típico de instalación Piezómetro de

Tubo Abierto o Tipo Casagrande. (a) Medidor de nivel

de agua; (b) Tubería lisa y (c) Tubería ranurada.

Figura 05: Instalación de un piezómetro de tubo abierto.

Figura 06: Se observa la medición del nivel freático

empleando el Water Level.


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Figura 07: Detalle de la medición realizada en campo

con ayuda del Water Level.

3.2. Piezómetro de Cuerda Vibrante

Es un transductor de presión, diseñado para mediciones remotas

del nivel piezométrico y de presión de poros en sondeos durante

largos periodos de tiempo. La señal de salida es una señal de

frecuencia, no afectada por la impedancia de línea y la

resistencia de contacto, lo que permite la transmisión a través

de distancias largas.

Fórmula Lineal:

P(Kpa)= C.F.x(Li-Lc)-[(T.K.x(Ti-Tc)]+[(0.10x(Bi-Bc)]

Factores de Calibración de Fábrica

T.K.=Sensor Temperature Correction Factor (m/°C)

Bi=Presión Barométrica Inicial (Kpa)

Bc=Presión Barométrica Actual (Kpa)

C.F.= Factor de calibración Lineal

Lectura inicial Digits "B" Units

Lectura actual "B" Units

C.F.(Kpa/B)= Valor de acuerdo a cada sensor.

T.K.(Kpa/°C)=Valor de acuerdo a cada sensor.

Figura 08: Esquema típico de instalación de Piezómetro

de Cuerda vibrante. (a) Medidor de cuerda vibrante y

(b) Piezómetro de cuerda vibrante.

Figura 09: Instalación de Piezómetro de Cuerda

Vibrante (Instalación en pozo vertical).

4. Celdas de Cuerda Vibrante

4.1. Celdas de Asentamiento

Las celdas del control de asentamiento están diseñadas para

medir los movimientos verticales diferenciales entre dos

puntos. Mediante un tubo doble relleno de líquido se conectan

las celdas colocadas en los puntos que se quieren instrumentar

con un depósito situado en un punto de referencia estable.

Transductores eléctricos de cuerda vibrante, colocados sobre

placas metálicas, miden la presión del líquido en los tubos,

proporcionando una medida de la diferencia de elevación entre

el depósito de referencia y cada una de las placas de

asentamiento. FÓRMULA LÍNEAL

∆m = C.F. x (Li -Lc) - [T.K.m x (Ti-Tc)] + ∆Rm - [(0.0953 x (Bi - Bc)]

T.K.m = Sensor Temperature Correction Factor (m/°C)

Bi = Presión Barométrica Inicial (Kpa)

Bc = Presión Barométrica Actual (Kpa)

C.F. = Lineal Calibration factor (m.)

Li = Lectura inicial Digits "B" Units

Lc = Lectura Inicial Actual "B" Units

∆Rm = Reference Error correction in meters

C.F. (m) = Valor de acuerdo a cada sensor

T.k. (m/°C) = Valor de acuerdo a cada sensor


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Figura 10: Esquema típico de instalación de Celda de

asentamiento de Cuerda vibrante. (a) Celda de

Asentamiento de cuerda vibrante y (b) Reservorio. Fuente: RST Instruments Ltd.

Figura 11: Celda de Asentamiento de cuerda vibrante VW-2100.

4.2. Celdas de Presión

La celda de presión está designada para medir la presión total

en rellenos de tierra y terraplenes. Todas las celdas están

compuestas por dos placas circulares de acero inoxidable

soldadas en su perímetro y con una separación que contiene una

estrecha cavidad con aire y aceite. Cambiando la presión del

suelo, ésta oprime las dos placas lo que origina el

correspondiente incremento de presión del fluido dentro de la

celda.

El transductor de presión de cuerda vibrante convierte esta

presión en una señal eléctrica la cual se transmite como

frecuencia por cable a la consola lectora.

En una presa las celdas de presión son dispositivos neumáticos,

instalados en el hormigón del muro de separación con el

vertedero, para medir las presiones ejercidas por el relleno sobre

dicha estructura.

Fórmula Lineal

P(Mpa) = C.F. x (Li -Lc) + [(0.0001x (Bi - Bc)]

Bi = Presión Barométrica Inicial (Kpa)

Bc = Presión Barométrica Actual (Kpa)

Li = Lectura inicial Digits "B" Units

Lc = Lectura Inicial Actual "B" Units

C.F.= Lineal Calibration factor

C.F. (Mpa/B) = Valor de acuerdo a cada sensor

Figura 12: Celda de Presión Total de cuerda vibrante. Fuente: RST Instruments Ltd.

Figura 13: Celda de Presión Total de cuerda vibrante con

montura axial (Izquierda), variación con soportes de montaje

(Derecha). Fuente: RST Instruments Ltd.

(b)

(a)


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Figura 14: Esquema típico de instalación Celda de Presión de

Cuerda vibrante. Fuente: RST Instruments Ltd.

5. Inclinómetros

Los Inclinómetros constituyen uno de los principales métodos

de medición de desplazamientos laterales y en general, de

control de deformaciones de terreno. Consisten en medir las

inclinaciones en intervalos constantes a lo largo de todo el

interior de un sondeo mediante una sonda que transmite una

señal digital proporcionada por dos sensores MEMS

acelerómetros.

Las diferencias entre las medidas registradas en intervalos de

0.5m, permiten identificar y cuantificar los movimientos

transversales al sondeo, es decir los desplazamientos

horizontales. Los datos del inclinómetro son usados en conjunto

con los datos del piezómetro y poder evaluarlos más

precisamente. En una Presa los inclinómetros detectan

movimientos en el lado aguas debajo de la presa y monitorean

la estabilidad de taludes en el lado aguas arriba, particularmente

durante el embalse. También ayudan a identificar la zona de

corte en la cimentación.

Figura 15: Se observa que los desplazamientos horizontales

registrados están regidos por la siguiente fórmula: D=LxSenα.

Figura 16: Esquema típico de instalación de un pozo inclinométrico

en un talud.

Figura 17: Se muestra la sonda inclinométrica digital (torpedo)

conectada a un carrete (100m de cable), posee una precisión

de ± 2 mm por 25 m.

Sistema Digital de Inclinómetro MEMS RST y

Software Inclianálisis

El sistema digital de inclinómetro MEMS RST y el Software

Inclianálisis (Kit digital inclinométrico) ofrecen una

combinación didáctica y poderosa para la reducción rápida y

eficiente de grandes volúmenes de datos del inclinómetro. Los

datos pueden ser analizados y presentados rápidamente en una

variedad de formatos.

El Software Inclianálisis es potente, pero fácil de usar. El

trazado, la manipulación de los datos y la impresión y

visualización de los mismos son realizados con unos pocos

clics que se hacen sobre la pantalla de un dispositivo ultra

resistente que es el recolector de datos (PDA o PC2 de campo).

Las opciones del Menú y Graficar funciones están diseñadas

para que el programa sea intuitivo y muy fácil de aprender. El

Software Inclianálisis está diseñado para complementar el

Sistema Digital de Inclinómetro MEMS RST. Los datos se

organizan en una estructura de archivos estándar que

desarrollan una importación transparente de datos entre el

Software Inclianálisis y el ultra-resistente recolecto de datos de

campo.


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Figura 18: Gráfico de desplazamientos acumulados obtenido de

medición inclinométrica.

Figura 19: Esquema típico de instalación de un pozo

inclinométrico. (a) Pocket de mano; (b) Carrete; (c) Sonda

Inclinométrica; (d) Tubería inclinométrica y (e) Tapas de tubería.

Figura 20: Se muestra el Kit digital inclinométrico (Sonda

inclinométrica con accesorios, PC2 de campo, carrete con cable.

6. Dataloggers

Los Dataloggers son sistemas de adquisición de datos que

ofrecen mucha flexibilidad y ciertamente son atractivos cuando

se requieren altas tasas de muestreo; principalmente se encarga

del registro y análisis de datos en tiempo real de diversos tipos

de instrumentación geotécnica que son utilizados en el diseño

de una presa, Pad de lixiviación, túneles, puentes, entre otras.

Son unidades de registro automatizado que pueden recopilar

datos en forma independiente de un ordenador. Los datos

normalmente se recopilan en memoria no volátil para descargar

posteriormente a un ordenador.

La computadora no necesita estar presente durante el proceso

de recolección de datos. Esto hace que sean ideales para

aplicaciones en lugares remotos que necesitan sistemas

modulares de medida (Utilizamos un Hardware Dataloggers y

los acondicionamos según las necesidades de cada proyecto),

control y monitorización de la instrumentación geotécnica de

una presa.

(a) (b)

Figura 21: Unidades lectoras: (a) Datalogger de un canal DT2011B y

(b) Datalogger de 5 canales DT2055B. Fuente: RST Instruments Ltd.


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6.1. Datalogger DT2011B

El DT2011B de un solo canal de Cuerda Vibrante Data Logger

posee pilas que registran los datos, diseñado para una

vigilancia automática de un solo sensor de cuerda vibrante con

termistor. Es ideal para ubicaciones remotas o instrumentos

que requieren de adquisición de datos de manera fiable y

frecuente. Se conecta a todos los sensores de cuerda vibrante,

incluyendo piezómetros, medidores de grietas y medidores de

tensión. El DT2011B puede estar equipado con una antena de

radio opcional para incorporarlo en un sistema de enlace

inalámbrico DT Link o Rstar.

6.2. Datalogger DT2055B

El DT2055B está diseñado para la monitorización fiable, sin

supervisión. Típicamente se conectan 5 sensores de cuerda

vibrante con sus termistores asociados. Es ideal para

ubicaciones remotas o instrumentos que requieren de registro

de datos fiable frecuentes. Se conecta a todos los sensores de

cuerda vibrante, incluyendo piezómetros, crack meters, y

medidores de tensión.

6.3. Antena L 900

Es una antena receptora de radio que sirve para incorporarse a

los Datalogger DT2011B, DT2055B, etc; transmitiendo la data

recogida por medio de un sistema de enlace inalámbrico. Se

sustenta en la tecnología R-Star de RST, la cual emplea la

tecnología inalámbrica para proporcionar la adquisición de

datos automatizada y permitir la recolección inalámbrica de

datos en áreas de difícil acceso.

Figura 22: Sistema de radio R-Star con antena L 900 para diversos

Dataloggers.

6.4. DT Link

Es un dispositivo de comunicación remota para los Data

Loggers de RST. Es fácil de configurar y utilizar, los

componentes son: DT Link Hub, un cable USB y una laptop.

El DT Link es un sistema que utiliza una central portátil (HUB)

que colecta datos en diferentes puntos y ubicaciones. La unidad

móvil se conecta a una laptop para descarga de datos.

Figura 23: Componentes del sistema DT Link (DT Link HUB, un

cable USB y una laptop).

Características:

Accesible a través de línea de visión y transmisión de

datos punto a punto.

Configuración simple, el HUB se conecta

rápidamente a los DataLogger cercanos.

Antena YAGI para aumentar el rango de distancia de

transmisión.

Consumo de energía muy bajo.

Compatible con el Software RST Multichannel DT

Link.

El DT Link HUB utiliza una batería de litio cuya

longevidad se estima en 2 años según la frecuencia de

uso y número de canales conectados.

Figura 24: Se observa en la imagen que se requiere de una línea de

vista entre el HUB y los DataLoggers con antena.


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Ventajas:

Adecuado para lugares donde los Datalogger son de difícil

acceso, pero es necesaria la recolección de datos. Estas zonas

son aquellas donde hay riesgos de accidentes, zonas donde hay

riesgo de derrumbe de rocas, zonas restringidas por exposición

a zonas tóxicas o exposición a animales peligrosos, etc.

Figura 25: Colección de datos en áreas con acceso restringido.

Figura 26: Colección de datos en complejos habitacionales.

Figura 27: Se colecta datos en paredes rocosas, en minas

subterráneas o a cielo abierto.

7. Automatización

Un sistema Automatizado de Adquisición de Datos permite

linealizar las señales dependiendo de la respuesta de la señal a

controlar. Para la transmisión de datos se puede programar

un “scheduler” a medida. Dicho “scheduler” envía los datos

registrados de los instrumentos monitoreados periódicamente

de manera automática en su memoria interna, para que la

transmisión de los datos sea precisa y sincronizada, la data será

descargada por puerto serial a una PC para ser visualizada a

través del software especializado de Campbell Scientific.

Figura 28: Dataloggers de registro automático capaz ser

automatizados para procesar la data cruda y entregarla en unidades

de ingeniería.


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Figura 29: Automatización de sensores de cuerda vibrante

(piezómetro, celda de asentamiento y celda de presión) en un

Datalogger CR 1000.

8. Telemetría

La telemetría permite el diseño de redes de telecomunicaciones

y brinda el apoyo necesario en la implementación de equipos

capaces de transmitir información procedente de todo tipo de

sensores, de forma precisa, calibrada y fiable, sin ruidos ni

interferencias; desde lugares distantes o remotos a través de

redes inalámbricas como Radio Frecuencia, GPRS (red celular),

Satelital.

Figura 30: Sistema de telemetría (antena receptora, gabinete,

programa de descarga de datos).

Figura 31: Software Geoviewer, visualización de datos en tiempo

real.

7.1 RSTAR

La Tecnología inalámbrica de RST provee adquisición de datos

de manera continua con un alcance de recepción de 20 km en

campo abierto. Los sistemas R-STAR permiten monitorear

varios tipos de instrumentos de manera remota aumentando la

eficiencia.

Figura 32: Esquema típico del programa GeoViewer para la

visualización de datos en tiempo real.

Las Redes R-STAR son fácilmente incorporadas en

el Sofwtare Geoviewer de RST.

Además, cuenta con funciones web utilizando internet

para acceder a la data desde cualquier dispositivo

móvil.

Existen diferentes configuraciones de gabinetes para los

equipos R-Star.

Figura 33: Diagrama típico de configuración para sistema

R-STAR L900.


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Figura 34: Panel solar como fuente de energía (Izquierda).

Gabinete típico para sistema L900 con panel solar y antena

YAGUI.

9. Conclusiones

Un resultado integral de todas las mediciones que se

puedan obtener en el control y monitoreo de la presa,

servirá para generar un análisis detallado de las

operaciones de mantenimiento que se deban efectuar

en un futuro. Así, la subsistencia de la obra siempre

estará previsto en planes de contingencia en caso de

ser necesario y se evitará reparaciones de última hora

y temporales.

La instrumentación geotécnica diseñada en una presa

avanza según nuevas tecnologías mediante un sistema

de integración que incluye un software a medida,

logrando procesos autónomos, seguridad en el manejo

de la información, almacenamiento de las mediciones

en bases de datos o envió a los usuarios directos.

La tecnología actualmente juega un papel importante

para automatizar la instrumentación geotécnica y a la

vez reducir costos de monitoreo obteniendo los datos

en tiempo real e incluso dar alertas en un tiempo más

corto que el programa manual de monitoreo, sirviendo

esto para tomar una decisión óptima frente a la

problemática que pueda presentarse y evitar

fenómenos catastróficos como la ruptura de una presa.

10. Referencias

John Dunnicliff, “Geotechnical Instrumentation For

Monitoring Field Performance”, EE.UU (1993).

Carlos Alberto Beltrán Tenorio y Juan José Vintimilla

Sánchez, “Estudio de la Instrumentación a utilizar en las

Presas de Tierra del proyecto Pacalori”, Ecuador (2014).

Alva Hurtado, Jorge E y Escalaya Advíncula, Miriam,

“Instrumentación Geotécnica de la Presa Pillones”,

Lima. (2011)

Mónica Paola Saldarriaga E. Instrumentación de Presas

<http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/medido

res/instrumentacionpresas/instrumpresas.html>

Pierre Choquet, P.Eng., Dr.-Eng. Flavio Guimaraes,

M.Eng. (EIT). Iván Barua, C.Tech. “Taller Técnico de

Instrumentación Geotécnica”.(2013) RST Instruments

Ltd., Maple Ridge, BC, Canadá

(www.rstinstruments.com).

RST Instruments Ltd. (www.rstinstruments.com).

Geokon (www.geokon.com).


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