UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL -...
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UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y F ÍSICAS ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL TRABAJO DE TITULACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL HIDRAÚLICA TEMA: PROPUESTA DE REHABILITACIÓN DE LA PRESA EL CHAPUCAL SOBRE EL RÍO VERDE UBICADO EN LA COMUNA RÍO VERDE, CANTÓN SANTA ELENA - PROVINCIA DE SANTA ELENA. AUTOR CARLOS LEONARDO GARZÓN ZAMBRANO TUTOR ING. ENRIQUE HERBOZO ALVARADO 2016 GUAYAQUIL – ECUADOR
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UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y F ÍSICAS
ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL
TRABAJO DE TITULACIÓN
PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE
INGENIERO CIVIL
HIDRAÚLICA
TEMA:
PROPUESTA DE REHABILITACIÓN DE LA PRESA EL CHAPUCAL
SOBRE EL RÍO VERDE UBICADO EN LA COMUNA RÍO VERDE,
CANTÓN SANTA ELENA - PROVINCIA DE SANTA ELENA.
AUTOR
CARLOS LEONARDO GARZÓN ZAMBRANO
TUTOR
ING. ENRIQUE HERBOZO ALVARADO
2016
GUAYAQUIL – ECUADOR
ii
Dedicatoria.
A mis hijas Katherine Lissette y Alice Gabriela
iii
Agradecimiento
Agradezco a Dios por permitirme culminar esta meta
planteada hace mucho tiempo.
A mis Padres Ing. Civil Carlos Garzón Arreaga y Lcda.
Daysy Zambrano Olivares por su apoyo incondicional.
Al Ing. Enrique Herbozo Alvarado, Tutor del trabajo de
Titulación por incentivar la investigación y asegurar la
calidad de este texto.
iv
DECLARACION EXPRESA
ART.XI.- del Reglamento Interno de Graduación de la Facultad de Ciencias
Matemáticas y Físicas de la Universidad de Guayaquil.
La responsabilidad por los hechos, ideas y doctrinas expuestos en este Trabajo
de Titulación corresponden exclusivamente al autor, y al Patrimonio Intelectual de la
Universidad de Guayaquil
CARLOS LEONARDO GARZON ZAMBRANO
C.I : 0915269419
v
TRIBUNAL DE GRADUACION
__________________________ _______________________ Ing. Eduardo Santos Ing. Enrique Herbozo
DECANO Tutor
__________________________ _______________________ Ing. Patricia Cardenas Ing. Alfredo Silva
Vocal Vocal
vi
ÍNDICE GENERAL
CAPITULO I
GENERALIDADES
1.1.Introducción ...................................................................................................... 1
1.2. Objetivos ......................................................................................................... 2
1.2.1. Objetivos General. ....................................................................................... 2
1.2 Objetivos Específicos ........................................................................................ 2
1.3 Ubicación geográfica del proyecto ................................................................... 2
1.4 Justificación Social ............................................................................................ 3
CAPITULO II
MARCO TEORICO
2.1 Presas Definición .............................................................................................. 4
2.2 Tipos de Presas según su uso .......................................................................... 4
2.2.1 Presas de almacenamiento. ....................................................................... 4
2.2.2 Presas de derivación. ................................................................................. 4
2.2.3 Presas de regulación. ................................................................................. 5
2.3 Tipos de Presas según los materiales que la componen .................................. 5
2.3.1 Presas de materiales sueltos. ..................................................................... 5
2.3.1.1 Presas Homogéneas. .............................................................................. 5
2.4 Estructuras que conforman el embalse ............................................................. 6
2.4.1 Muro o Dique. ............................................................................................. 6
2.4.2 Obra de Excedencias. ................................................................................ 6
2.4.3 Desagüe de Fondo. .................................................................................... 7
2.4.4 Obra de Toma. ............................................................................................ 7
2.5 Criterios para selección del tipo de presa ......................................................... 7
2.6 Geotecnia ......................................................................................................... 9
2.6.1 Propiedades Físicas de los suelos. ............................................................ 9
vii
2.6.2 Clasificación de los suelos. ...................................................................... 18
2.6.3 Compactación de Suelos. ......................................................................... 21
2.6.4 Permeabilidad. .......................................................................................... 24
2.6.5 Filtración. .................................................................................................. 29
2.7 Estabilidad de Taludes .................................................................................... 38
2.7.1 Métodos básicos. ...................................................................................... 39
2.7.2 Superficie de deslizamiento. ..................................................................... 40
2.7.3 Formas de superficie de deslizamiento. ................................................... 41
2.7.4 Fuerzas de filtración. ................................................................................ 44
2.7.5 Método de Fellenius. ................................................................................ 45
2.7.6 Método de Bishop ..................................................................................... 46
2.7.7 Vaciado Rápido. ....................................................................................... 47
2.8 Análisis Sísmico de Estabilidad. ..................................................................... 49
2.8.1 Análisis Sísmico de taludes basado en desempeño. ............................... 50
2.9 Estados de Carga Analizados ......................................................................... 54
2.9.1 Condición Inicial Aguas Arriba y Aguas abajo. ......................................... 54
2.9.2 Condición Estática Primer llenado NAMO Aguas Arriba y Aguas Abajo. 54
2.9.3 Condición Nivel de Operación NAMO mas sismo. ................................... 54
2.9.4 Vaciado Rápido. ....................................................................................... 55
CAPITULO III
DESARROLLO DE LA INVESTIGACION
3.1 Información Básica ......................................................................................... 56
3.1.1 Cartografía y Topografía. .......................................................................... 56
3.1.2 Información Geológica y Geotécnica. ....................................................... 56
3.1.3 Geología y geotecnia. ............................................................................... 56
3.1.4 Geología general de la región. .................................................................. 57
viii
3.1.5 Geología local. .......................................................................................... 59
3.1.6 Geotecnia del sitio. ................................................................................... 60
3.2 Investigación del sitio del proyecto ................................................................. 61
3.2.1 Trabajo de Campo. ................................................................................... 61
3.2.2 Ubicación de la Cantera. .......................................................................... 61
3.2.3 Investigación Geotécnica Realizada. ........................................................ 62
3.4 Trabajo de Laboratorio .................................................................................... 62
3.4.1 Material A. Limos Arenosos. .................................................................... 63
3.4.2 Material B. Arcilla sedimentaria de alta plasticidad. .................................. 68
3.4.3 Material C (Compuesto por 70 % de Material A + 30 % de material B). .. 71
3.4.4 Material D (Compuesto por 50 % de Material A + 50 % de material B). ... 75
3.4.5 Material E (Compuesto por 30 % de Material A + 70 % de material B). ... 79
3.4.6 Material F (Arenas). ................................................................................. 83
3.5 Trabajo de Oficina ........................................................................................... 86
3.6 Materiales de construcción, propiedades geotécnicas y fuentes .................... 86
3.6.1 Materiales para construcción de terraplén. ................................................ 86
3.6.2 Materiales para filtros. .............................................................................. 87
3.6.3 Materiales para construcción de Drenes . ................................................ 88
CAPITULO IV
CRITERIOS DE DISEÑO
4.1 Selección del tipo de presa ............................................................................. 89
4.2 Bases para el proyecto ................................................................................... 89
4.3 Pre diseño y Características Morfo métricas del tipo de presa seleccionado . 90
4.4 Pre dimensionamiento de Taludes .................................................................. 91
4.5 Pre dimensionamiento de los Drenes y Filtros ................................................ 94
4.6 Pre dimensionamiento Desagüe de Fondo y Obra de Toma .......................... 95
4.7 Proyecto de la Cimentación ............................................................................ 95
4.8 Riesgo Sísmico ............................................................................................... 96
ix
4.8.1 Calculo de Espectro de Aceleración. ........................................................ 98
4.8.2 Calculo de Coeficiente Sísmico de fluencia Ky. ........................................ 99
4.9 Protección de Taludes .................................................................................. 100
CAPITULO V
ANALISIS DE ESTABILIDAD
5.1 Control de Filtraciones .................................................................................. 102
5.1.1 Gráfico de la Línea de Saturación. ......................................................... 103
5.1.2 Calculo Parábola Kozeny Nivel NAMO Presa Homogénea Modificada
Filtro. ................................................................................................................ 103
5.1.3 Gráfico de la Red de Flujo NAMO. ......................................................... 104
5.1.4 Calculo de Gradiente Crítico y caudal de filtración Nivel NAMO. ............ 105
5.2 Análisis de la estabilidad de taludes ............................................................. 105
CAPITULO VI
PROCESO CONSTRUCTIVO Y CONTROLES DE CAMPO
6.1 Procedimiento constructivo ........................................................................... 110
6.2 Preparación de la cimentación ...................................................................... 110
6.3 Reconstrucción de Terraplén ........................................................................ 111
6.4 Calculo de volumen de materiales requeridos .............................................. 112
CAPITULO VII
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
7. Conclusiones ...................................................................................................... 113
8. BIBLiOGRAFIAS
9. ANEXOS
x
INDICE DE TABLAS
Tabla 1 Coordenadas Geográficas Presa El Chapucal – Prov. De Santa Elena ....... 2
Tabla 2 Coeficiente de permeabilidad...................................................................... 28
Tabla 3 Taludes Recomendados Para Las Presas
De Tierra Homogéneas Sobre Cimentaciones Estables ....................................... 55
Tabla 4 Resumen Parámetros geotécnicos de los materiales estudiados ............... 85
Tabla 5 Taludes Recomendados Para Las Presas De Tierra Homogéneas y
Sobre Cimentaciones Estables ................................................................................ 91
Tabla 6 Pre dimensionamiento de Talud Presa El Chapucal ................................... 92
Tabla 7 Espesores y límites de granulometría para el enrocado
sobre taludes 3: 1 ................................................................................................... 101
Tabla 8 Resumen Materiales para análisis de estabilidad Programa Slope/w ....... 102
Tabla 9 Resultados Calculo Factor de Seguridad Alternativa A ............................ 106
Tabla 10 Resumen Materiales para análisis de estabilidad Programa Slope/w ..... 107
Tabla 11 Resultados Calculo Factor de Seguridad Alternativa B .......................... 108
Tabla 12 Resultados Calculo Factor de Seguridad Alternativa C .......................... 108
xi
INDICE DE GRAFICOS
Ilustración 1 Mapa de Ubicación de la Presa El Chapucal Comuna Rio Verde ........ 3
Ilustración 2 Gráfico de Curva Granulométrica ....................................................... 11
Ilustración 3 Gráfico de carta de Plasticidad - Línea A ........................................... 15
Ilustración 4 Relaciones Volumétricas de los suelos .............................................. 17
Ilustración 5 Sistema Unificado de Clasificación de Suelos ................................... 21
Ilustración 6 Principio de la Compactación (relación humedad y densidad) .......... 22
Ilustración 7 Curvas típicas de compactación (arenas y arcillas) .......................... 24
Ilustración 8 Carga de presión, elevación y total en el flujo
de agua a través del suelo .................................................................................... 26
Ilustración 9 Flujo de agua a través del suelo ........................................................ 27
Ilustración 10 Flujo a través de suelo con fila de tablestaca
en suelo permeable ................................................................................................ 30
Ilustración 11 Flujo a través de un bloque de suelo elemental ............................... 30
Ilustración 12 Gráfico de línea de flujo y línea equipotencial .................................. 32
Ilustración 13 Gráfico de Red de flujo..................................................................... 33
Ilustración 14 Canal de flujo y líneas equipotenciales ........................................... 34
Ilustración 15 Gráfico de Línea superior de flujo a través de una presa de tierra ... 36
Ilustración 16 Parábola de Kozeny, grafico de línea superior de flujo
a través de una presa de tierra………………………………………………………… .. 37
Ilustración 17 Gráfico de Superficie de falla circular ............................................... 41
Ilustración 18 Gráfico de superficie de falla plana .................................................. 42
Ilustración 19 Gráfico de Superficie de falla compuesta ......................................... 43
Ilustración 20 Gráfico de fuerzas de filtración ......................................................... 45
Ilustración 21 Posición de la línea de flujo superior durante el vaciado rápido ....... 48
xii
Ilustración 22 Afloramiento Formacion Tablazo. .................................................... 60
Ilustración 23 Presa El Chapucal. Conglomerado calcáreo característico
de la formación Tablazo Se observa presencia de conchilla y arenas. .................... 60
Ilustración 24 Ubicación de puntos correspondientes a los materiales
ensayados con relación a la Línea A........................................................................ 85
Ilustración 25 Presa El Chapucal. Esquema de la sección transversal. ................. 94
Ilustración 26 Presa El Chapucal. Esquema pre dimensionamiento
de Filtro y Dren. ....................................................................................................... 95
Ilustración 27 Presa El Chapucal. Esquema Ubicación del Desagüe de Fondo. .... 95
Ilustración 28 Mapa de zonificación sísmica del Ecuador ...................................... 97
Ilustración 29 Presa El Chapucal. Grafico Línea Superior de Saturación............. 104
Ilustración 30 Presa El Chapucal. Grafico Red de Flujo ....................................... 104
Ilustración 31 Presa El Chapucal Alternativa de Análisis A ................................. 106
Ilustración 32 Presa El Chapucal Alternativa de Análisis B. ................................ 107
Ilustración 33 Presa El Chapucal Alternativa de Análisis C ................................. 108
Ilustración 34 Presa El Chapucal - Vista del sitio de falla - Ago 2016 ...................... 3
Ilustración 35 Presa El Chapucal Vista desde Sitio
de Falla hacia aguas arriba - Ago 2016 ...................................................................... 3
Ilustración 36 Presa El Chapucal Muro de Vertedor
Vista desde aguas arriba, Rio Verde .......................................................................... 4
Ilustración 37 Presa El Chapucal Sitio del Vertedor
Vista desde Aguas Abajo, Rio Verde Agosto 2016 .................................................... 4
Ilustración 38 Presa El Chapucal. Descarga del Vertedor
Vista desde Aguas abajo ............................................................................................ 5
1
CAPITULO I
GENERALIDADES
1.1. Introducción
La presa El Chapucal fue construida por la empresa Petrolera Exxon – Texaco
en la década de 1980, con la finalidad de almacenar el agua proveniente de las
lluvias dentro de un área de recarga del acuífero Rio Verde, el mismo que proveía
de agua para consumo humano a las instalaciones de la empresa Petrolera
ubicadas en la parroquia Ancón, a través de un sistema de reservorios y tuberías de
conducción, así como a los cantones Salinas, La Libertad y el área urbana del
cantón Santa Elena mediante carros tanqueros que se encargaban del transporte y
distribución del agua.
“Durante el fenómeno El Niño - Oscilación del Sur, ocurrido en el año 1997 -
1998, el caudal transitado por el embalse supero el caudal de diseño del vertedor
tipo “Morning Glory” existente, provocando que el nivel de agua en el embalse
alcance la cota de corona de la pequeña presa de tierra, lo cual ocasiono la
formación de cárcavas seguido de la rotura de la presa debido al arrastre de los
materiales que la conformaban”. (INFANTES, 1999)
En los años posteriores a la rotura de la presa, la comuna Rio Verde realizo la
venta como chatarra de la estructura del vertedor y tubería de descarga, la misma
que estaba conformada por planchas metálicas de una pulgada de espesor, por lo
que actualmente en el sitio solo se pudo encontrar las obras de hormigón armado.
2
1.2. Objetivos
1.2.1. Objetivos General.
Realizar el estudio preliminar del para la selección de mejor alternativa de pre
diseño para la rehabilitación de la presa de materiales sueltos El Chapucal en base
al análisis de materiales próximos al sitio del proyecto.
1.2 Objetivos Específicos
a) Determinar el tipo de presa que se ajuste a las condiciones topográficas
geológicas y geotécnicas del sitio.
b) Analizar el comportamiento del pre diseño de la alternativa de Presa
seleccionada.
1.3 Ubicación geográfica del proyecto
El sitio del proyecto se encuentra ubicado en el área sur- oeste de la cuenca del
rio Zapotal, provincia de Santa Elena en el territorio perteneciente a la comuna Rio
Verde, aproximadamente a 40 kilómetros de la cabecera cantonal.
La posible cortina de la presa está ubicada entre las siguientes coordenadas UTM.
WGS 84.
Tabla 1 Coordenadas Geográficas Presa El Chapucal – Prov. De Santa Elena
SITIO ESTE NORTE
Estribo Izquierdo 532338 9744550
Estribo Derecho 532082 9744244
3
Ilustración 1 Mapa de Ubicación de la Presa El Chapucal Comuna Rio Verde
Fuente: (IGM)
1.4 Justificación Social
El estudio beneficia de manera directa a 500 familias pertenecientes a la comuna
Rio Verde, y de manera indirecta a los 4000 habitantes del sector, las mismas que
comparten sus actividades entre la pesca, comercio, cría de animales domésticos y
agricultura, actualmente el Ministerio de Agricultura Ganadería Acuacultura y Pesca
realiza la instalación de sistemas de riego por goteo en las parcelas aledañas al
área del proyecto , para lo cual se abastece de los pozos cercanos al área del
posible embalse.
La disminución de la concentración de sales del agua utilizada para riego se
refleja en incrementos de hasta el 60 % de producción de las cosechas, esto según
la tolerancia del cultivo que se realice, El beneficio de incrementos en la producción
agrícola se mejora la economía local e incide directamente sobre la calidad de vida
de los habitantes del sector.
4
CAPITULO II
MARCO TEORICO
2.1 Presas Definición
Las presas de embalse, son parte de sistemas de aprovechamiento hidráulico
para uno o múltiples propósitos, además de almacenar el agua, permiten regular el
caudal variable con que se producen los aportes del río, ajustándose a las
demandas del sistema sean estas requerimientos para consumo humano,
producción de energía eléctrica, proyectos de riego, agua para usos industrial y
esparcimiento. (RECLAMATION, 1972)
2.2 Tipos de Presas según su uso
2.2.1 Presas de almacenamiento.
Las presas de almacenamiento se construyen para almacenar agua en los
periodos en que sobra para almacenarla cuando escasea.
2.2.2 Presas de derivación.
Las presas de derivación se construyen con el objeto elevar la carga de agua
en determinado sitio para desviar caudales hacia sistemas de conducción hacia el
lugar en el cual se utilizara
5
2.2.3 Presas de regulación.
Las presas reguladoras se construyen para retardar el escurrimiento
proveniente de las avenidas, en estas el agua se almacena de forma temporal y se
permite la salida de caudales controlados a partir de las obras de toma y de
excedencia.
2.3 Tipos de Presas según los materiales que la componen
2.3.1 Presas de materiales sueltos.
Las presas de materiales sueltos comprenden todas las que se construyen con
materiales naturales sean estas tierra, gravas arcillas arenas , escolleras, los
mismos que pueden tener características de nula o limitada cohesión, las mismas
que son dispuestos en la conformación de la pera sin el uso de conglomerantes.
Los materiales se utilizan en el estado que se encuentran en la naturaleza sin más
procesos que clasificación y compactación. Las presas de materiales sueltos
constituyen el tipo de presa más común y a su vez se subdividen en presas
homogéneas y heterogéneas.
2.3.1.1 Presas Homogéneas.
Son construidas de material uniforme de baja permeabilidad tales como arcillas o
limos, o mezclas de arenas o gravas con altos porcentajes de finos, los taludes de
este tipo de presa son bastantes tendidos desde relaciones 2 H :1 V hasta 4 H:1 V.
6
2.3.1.2 Presas Heterogéneas.
La presa heterogénea está compuesta por un volumen de material que cumple
la función impermeabilizadora denominado núcleo y un volumen de material
destinado a cumplir la función de proporcionar la forma y peso necesario, construido
con materiales que no requieren cualidades especiales.
2.4 Estructuras que conforman el embalse
2.4.1 Muro o Dique.
El muro o dique es una pared que se coloca en un sitio determinado del cauce
de una corriente natural con el objeto de almacenar parte del caudal que transporta
El dique debe ser diseñado para soportar las fuerzas que se generan por la presión
del agua, y para impedir filtraciones a lo largo de su estructura y en las superficies
de contacto entre la estructura y el terreno natural adyacente.
2.4.2 Obra de Excedencias.
La obra de excedencias está compuesta por un vertedero tipo cimacio de cresta
libre o con cierre provisto por compuertas, que permiten regular su funcionamiento.
El aliviadero se ubica en la misma cortina en presas de concreto, y fuera de la
misma en las presas de materiales sueltos
.
7
2.4.3 Desagüe de Fondo.
El desagüe es un conducto ubicado en el fondo de la presa y tiene como
principal objetivo eliminar los sedimentos de volumen muerto del embalse y para
ayudar a vaciar la presa en caso de emergencia.
2.4.4 Obra de Toma.
La obra de toma puede estar compuesta por un sistema de doble compuerta, una
de emergencia y otra de control, cuando la carga es inferior 20 m. En cambio
cuando la carga es superior a ello, se emplean válvulas, en un doble juego: de
mariposa y de compuerta o de compuerta y aguja, en ambos casos para regulación
y control, respectivamente.
2.5 Criterios para selección del tipo de presa
La selección del tipo de presa para un determinado lugar requiere una
consideración cuidadosa de las características de cada tipo, en relación con
factores topográficos, geológicos y de la disponibilidad de materiales en la zona de
estudio, debido a que este factor es limitante a la hora de cuantificar los costos de
construcción.
La topografía del sitio se presenta como el primer factor determinante a la hora
de la selección del tipo de presa, las llanuras bajas, onduladas sugieren la
posibilidad de construcción de una presa de tierra con aliviadero mientras que
cauces de tipo desfiladeros se adaptan mejor a las presas vertedoras. El análisis de
la topografía del sitio resulta de gran interés a la hora de diseñar el aliviadero en
presas de tierra.
8
La geología del sitio, el espesor de los estratos subyacentes, su inclinación,
permeabilidad y presencia de fallas, inciden de gran manera en las condiciones de
la cimentación, de tal manera que la cimentación limitara la elección del tipo de
presa aunque estas limitantes pueden ser modificadas.
La disponibilidad de los materiales a ser utilizados en la construcción sean estos
suelos para terraplenes, rocas para terraplén o enrocados y agregados para
elaboración de hormigones, en todos los casos la cercanía a las fuentes de
materiales determina en gran medida el costo de la obra de tal manera que el tipo
de presa más económico será aquel para el que se encentren materiales en calidad
y cantidad suficiente en las cercanías del proyecto.
Otro de los factores importantes al momento de la selección del tipo de presa
constituye la ubicación y el tamaño del aliviadero, debido a las restricciones
naturales que puedan encontrarse al momento de seleccionar la ubicación del
mismo, grandes aliviaderos sugieren la construcción de presas vertedoras de
hormigón donde trabajan en conjunto presa y aliviadero, mientras que aliviaderos de
menor tamaño favorecen la construcción del mismo en un sitio separado de la presa
generalmente en presas de tierra o enrocado, en todo caso la decisión del tamaño
del aliviadero está determinada por el análisis hidrológico de avenidas.
9
2.6 Geotecnia
2.6.1 Propiedades Físicas de los suelos.
Las características físicas, conocidas como las propiedades índices de los
suelos, pueden llevarnos a localizar, y permitir diferenciar las características de un
suelo de la misma categoría y en relación a otro; y, a su vez se puede prever su
comportamiento mecánico, los cuales son: Granulometría, Plasticidad y Peso
específico
2.6.1.1 Granulometría.
De todo lo anterior se desprende que en los suelos hay una parte inerte y otra
activa. “Los suelos como se sabe son mezclas de arena, limos y arcillas como una
generalidad. Aunque las arenas y las gravas y algunos limos inorgánicos pueden
presentarse individualmente en la naturaleza, sin embargo las arcillas y algunos
limos están siempre mezclados principalmente con arenas; la arcilla y el limo
constituye la parte activa de los suelos y las arenas y las gravas la parte inerte”.
(MARIN, 2010)
En la Mecánica de Suelos es de gran importancia conocer qué cantidad de parte
inerte y activa existe. El tamaño de los granos sirve como índice, y de esta manera
se puede lograr una diferenciación de las partes por las cuales están compuestos
los suelos. Para determinar la separación de los tamaños entre la parte gruesa y la
parte final del suelo, se ha establecido en diámetros más o menos iguales. La
ASTM establece una medida universal en la cual se especifica que el tamaño es de
10
0,05 mm, por otro lado según el Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos
establece una medida diferente para esta diferenciación, determinando un diámetro
de 0,074 mm.
“Las arenas, las gravas o las mezclas de ellas se consideran materiales gruesos
los mismos que según su historia de sedimentación pueden tener una graduación
uniforme o no, es decir, puede haber la preponderancia de un solo tamaño de
grano, o la presencia de casi todos los tamaños, en cuyo caso los materiales
gruesos pueden ser mal o bien graduados”. (MARIN, 2010)
Según los diferentes autores que estudiado la mecánica y a composición del
suelo para poder determinar la graduación han utilizado formulas deducidas
estadísticas representativas en diferentes proporciones en que entran todos los
tamaño en la mezcla de un material grueso.
A esta teoría se la conoce como coeficiente de uniformidad Cu “la relación entre
el diámetro D 60 que corresponde al 60 % de las partículas menores a él y el
diámetro D10 para el cual el 10% de las partículas son menores a ese diámetro”.
(REYES, 2011)
Sin embargo el coeficiente Cc llamado de curvatura es un valor que se requiere
para lograr conocer la buena o mala graduación de las arenas y gravas. De los
gráficos de granulometría (Imagen 2) se obtienen estos diámetros y se estima que
un coeficiente de uniformidad mayor de 4 indica una buena graduación de mezclas
de gravas y arenas.
11
Para determinar la uniformidad o no uniformidad de los agregados mediante
valores de forma individual puede conducir a errores de manera frecuente, que
pueden ser importantes. De ahí que la graduación debe analizársele como un rango
de varias curvas de un mismo material obtenido en algunas muestras. “Esto se hace
debido a que en la naturaleza los sedimentos se presentan para un mismo estrato,
en forma de rangos de tamaños en lugar de seguir una curva teórica de
graduación”. (MARIN, 2010)
Ilustración 2 Gráfico de Curva Granulométrica
Fuente: (MARIN, Mecanica de suelos)
Otras de las característica que tiene que ver con el comportamiento mecánico del
suelo, es el tamaño de los granos los que pueden ser de formas planas y alargadas
de las arenas y gravas estas aumentan el factor de seguridad generalmente la
forma esférica de las partículas hacen que el conjunto pueda tener una orientación
regular, logrando tener una buena trabazón entre los granos.
En el Ecuador sobre todo en la costa litoral los granos de las arenas y las gravas
tienen se desgastan con una mayor frecuencia, y por saturación y compresión
combinada se tienden a destruir de manera más acelerada. “Por eso la descripción
12
de las arenas y de las gravas debe ir siempre acompañada de la forma y dureza de
los granos, debido a que en muy pocos lugares de la Costa del Ecuador se han
encontrado arenas de alta resistencia al desgaste. La porción que se considera fina
de los suelos, correspondiente al matrial pasante al tamiz No. 200 (0,074mm) está
constituido por arenas muy finas, limos, y arcillas. Para los efectos prácticos,
algunas veces se considera que lo que pasa del tamiz No. 200 son los limos y las
arcillas.” (MARIN, 2010)
2.6.1.2 Plasticidad.
La plasticidad es la característica primordial de los materiales finos, aunque no
tiene relación con el diámetro de las partículas, se observa que el cuarzo
pulverizado al tamaño de los limos no presenta ninguna característica plástica.
Se entiende que la plasticidad se la considera como un electro químico de los
materiales finos, generalmente los arcillosos, ya que está constituida por un núcleo
sólido, mediante el cual se encuentra una capa fina de agua, la cual es adsorbida en
un estado viscoso; esta agua está ligada al núcleo de arcillas, por lo tanto las bajas
temperaturas no puede ser evaporada, es decir, que es diferente al agua normal ; la
capa adsorbida al ser electroquímica se entiende que puede tener más agua
mediante una acción en cadena, esto significa un mayor número de volumen.
Se ha establecido que estos son producto que contienen propiedades electro-
químicas de la capa adsorbida del agua, producto de lo cual se ha ensayado con
éxito el cambio de las propiedades plásticas de los suelos arcillosos, mediante el
cambio de las características electro-químicas de ellas.
13
Según lo conceptos antes indicados los suelos, pueden variar de plasticidad
pudiendo ser de alta, media o baja, si los suelos aumentan su porcentaje de finos
(menor que el tamiz No. 200) la plasticidad tiende a aumentar, sin embargo, como
ya se ha indicado, la plasticidad no tiene una relación directa, con el porcentaje de
finos así también hay arenas con un contenido de finos (que pasa del tamiz No. 200)
de un 15% y también tener en conjunto más plasticidad que otra arena , por
ejemplo, un 30% de finos.
La plasticidad es la capacidad de un suelo para tomar formas diversas, (MARIN,
2010) se entiende que los suelos al disminuir la humedad, pasan por diferentes
estados ,se disminuye el agua del suelo mediante el estado de evaporación y este
se convierte en un “barro fluido” en este estado el suelo puede sufrir deformaciones
de menor grado que poco a poco puede adoptar una forma ; este caso, se conoce
de estado liquido al Estado Plástico, Según Casagrande demostró que el Límite
Líquido (wL) es decir que se le puede definir como el contenido de agua en el suelo.
para el cual un suelo tiene una resistencia al esfuerzo cortante de aproximadamente
0,025 kg/cm2.
Se considera que el suelo en estado plástico disminuye su cantidad de agua
gana resistencia, y por ende puede presentar múltiples dificultades para ser
amasado en cilindros de pequeño diámetro, por lo tanto el límite plástico (WP) se
define como “el contenido de humedad para el cual cilindritos menores de 3mm de
diámetro no pueden ser moldeados sin que se rompan”. (SNEIJDER, 2008) Esta
convención sobre el Límite Plástico ha sido aceptada.
14
Sin embargo si el suelo disminuye aún más su humedad podría llegar el
momento en que no se contrae por efecto del secado. Se puede concluir que la
humedad máxima para la cual el secado ya no pueda producir cambios en un suelo,
se ha llamado Límite de Contracción (WS).
Índice de plasticidad (IP), “es la diferencia entre el valor del Límite Líquido, y el
valor del Límite Plástico.” (SNEIJDER, 2008) El Índice Plástico es más conocido
como la medida según el cual un suelo puede indicar, cambios de humedad, un
amplio rango de resistencia cohesiva. Y se presenta en forma de arcillas la
humedad de esta, es muy parecida al Límite Líquido y que tienen tanta resistencia
cohesiva como otra menos plástica y con una humedad también cercana al Límite
Líquido.
Por lo tanto a medida que la humedad se acerca al valor del Limite Plástico, en
todos los suelos que contienen arcilla, la resistencia del suelo es mayor
Casagrande en 1945 indico un límite entre los suelos arcillosos y los suelos
limosos; mediante los gráficos, este límite está en la Carta de Plasticidad, según la
cual los suelos arcillosos y los suelos limosos (y arcillas orgánicas) quedan arriba o
abajo de una línea denominada “A” expresada en función de Límite Líquido y del
Índice Plástico. Esta línea representa a la siguiente ecuación:
I P = 0,73 (wL - 20)
La determinación empírica de la línea A se basó en los resultados de ensayos de
plasticidad con miles de muestras de diferentes lugares del mundo, posteriormente
estudios realizados por Seed, Woodward y Lundgren, estudiando los resultados de
15
mezclas de minerales arcillosos (Bentonita, Illita y Caolinita) con arena lavada,
demostraron que la validez de la línea A era razonablemente práctica, aunque en
rigor el límite era muy alto para suelos arcillosos de media a baja plasticidad.
Ilustración 3 Gráfico de carta de Plasticidad - Línea A
Fuente: (MARIN, Mecanica de suelos)
2.6.1.3 Peso específico.
El peso específico de la masa de suelo o peso volumétrico, es la relación
entre el peso total del suelo y su volumen V y por lo consiguiente se lo designa de la
manera siguiente:
γ =w/v
donde :
W: Peso total del suelo
V: Volumen del suelo
16
2.6.1.4 Humedad.
Se conoce como humedad, a la cantidad de agua que contenga el suelo (w)
expresado en % del peso seco, es una variable. Al determinar estas variables
permite conocer el comportamiento mecánico en relación a la Ingeniería
donde :
Ww: Peso total de agua
Ws: peso del suelo seco
2.6.1.5 Porosidad.
Una masa de suelo se considera constituida por partículas sólidas, agua y vacíos
o espacios huecos generalmente con aire o gas. (MARIN, 2010) De este concepto
se puede hablar de volumen de sólidos, agua y aire. En el estudio tanto de la
Mecánica de Suelos y en la Ingeniería estos conceptos se presentan por valores,
estos valores dan a conocer el grado de densidad del que consta un suelo.
En la figura siguiente se encuentra diferenciado los diferentes estados en el cual
se puede encontrar un suelo.
17
Ilustración 4 Relaciones Volumétricas de los suelos
Fuente: (MARIN, Mecanica de suelos)
El total de la muestra en el volumen se la designa como V, compuesta las dos
partes, el volumen de sólidos Vs y el volumen de vacíos, Vv. El volumen de vacíos
es conocido como la suma de volumen del agua Vw y del aire Vg.
La porosidad n de la masa sólida se define como la relación entre el volumen de
vacíos y el volumen total de la muestra. (SNEIJDER, 2008)
La relación de vacíos e es conocida como la relación entre el volumen de vacíos
y el volumen de sólidos.
El grado de saturación S es la relación entre el volumen de agua y el volumen de
vacíos.
18
2.6.2 Clasificación de los suelos.
Diferentes suelos con propiedades similares pueden clasificarse en grupos y
subgrupos de acuerdo a su comportamiento en la ingeniería, los diferentes sistemas
que se utilizan para clasificar el suelo dan a conocer un lenguaje común mediante el
cual se logra expresar de forma concisa las diferentes características de cada suelo,
que son infinitamente variadas, sin descripciones detalladas.
La mayor parte de los diferentes sistemas de clasificación de suelo que se han
logrado desarrollar son para propósitos de ingeniería las cuales se basan en
propiedades de índice simples como: la distribución de tamaño de partícula y la
plasticidad, muchos sistemas de clasificación actualmente se encuentran en uso no
existe un sistema que sea utilizado de manera definitiva, esto se debe debido a la
gran diversidad de propiedades que contiene un suelo.
2.6.2.1 Sistema de Clasificación AASHTO.
El sistema de clasificación de suelos AASHTO fue desarrollado en 1929 es uno
de los primeros sistemas de clasificación de Administración de Carreteras, ha sido
objeto de varias modificaciones, en la actualidad es utilizado en el campo de la
construcción de carreteras con la actual versión propuesta por el Comité de
19
Clasificación de Materiales para las sub-bases granulares y Tipo de Carreteras de la
Junta de Investigación de Carreteras en 1945 (designación ASTM D-3282; método
AASHTO M145).
La clasificación AASHTO actualmente se presenta en la Tabla 1. Según este
sistema, el suelo se clasifica en siete grandes grupos: A-1 a A-7. Los suelos
clasificados en los grupos A-1, A-2 y A-3 son de material granular de los cuales el
35% de estas partículas pasan a través de la malla No. 200. Están clasificados en
los grupos A-4, A-5, A-6 y A-7. La mayor parte de estos suelos son en su mayoría
de limo y de tipo arcilla. (RAMIREZ, Dic 2011)
Este sistema de clasificación toma en consideración lo siguiente:
1. Tamaño de grano: a. Grava: fracción que pasa de 75 mm (. 3-in) y retenido en el
Nº 10 (2 mm); Arena: fracción que pasa el Nº 10 (2 mm) y retenido en el Nº 200
(0.075 mm) Limo y arcilla: fracción que pasa el tamiz No. 200.
2. Plasticidad: El término limoso se aplica cuando las fracciones finas del suelo
tienen un índice de plasticidad de 10 o menos. El término arcillosa se aplica cuando
las fracciones finas tienen un índice de plasticidad de 11 o más.
3. Si se encuentran gravas y cantos rodados (tamaño mayor de 75 mm), que están
excluidos de la porción de la muestra de suelo del que está hecha la clasificación.
20
2.6.2.2 Sistema Unificado de clasificación de suelos.
Según el ensayo ASTM la forma original de este sistema fue propuesto por
Casagrande en 1942 para su uso en las obras de construcción aeródromo
emprendidas por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército durante la Segunda Guerra
Mundial. En cooperación con el US Bureau of Reclamation, este sistema fue
revisado en 1952. En la actualidad, se utiliza ampliamente por los ingenieros
(Ensayo ASTM Designación D-2487).
Este sistema clasifica los suelos en dos grandes categorías:
1. Los suelos que son de grava y arena con menos del 50% que pasa por la
malla No. 200 de grano grueso. Comienzan con un prefijo de G o S. G es sinónimo
de grava o suelo de grava, y S para la arena o más conocidos como suelos
arenosos.
2. Los suelos de grano fino son con el 50% o más que pasa a través de la malla No.
200. Los símbolos de grupo comienzan con los prefijos de M, que representa el limo
inorgánico, C de arcilla inorgánica u O para limos orgánicos y arcillas. El símbolo Pt
se utiliza para la turba, estiércol y también representa a los suelos altamente
orgánicos.
Otros símbolos utilizados para la clasificación son:
• W-bien graduado
• P-mal graduado
• L-baja plasticidad (límite líquido menor de 50)
21
• H-alta plasticidad (límite líquido mayor de 50)
Ilustración 5 Sistema Unificado de Clasificación de Suelos
Fuente: (SUCS)
2.6.3 Compactación de Suelos.
En la construcción de carreteras, presas de tierra, y otros procedimientos de
ingeniería y elaboración de estructuras, los suelos que son considerados sueltos
tienen que ser compactados para aumentar considerablemente sus pesos de
manera unitaria.
Para que los suelos sean resistente la compactación juega un papel muy
importante, esto aumenta en gran manera la carga de cimentaciones estas también
logran aumentar la estabilidad de las laderas de los terraplenes.
22
Sin embargo en el campo se requiere utilizar diferentes equipos que logren la
compactación del suelo entre los cuales se puede mencionar: compactadores
livianos, rodillos, rodillos de goma, rodillos vibratorios y pata de cabra.
La Compactación “es la densificación del suelo por la eliminación del aire, lo que
requiere el empleo de energía mecánica, el grado de compactación de un suelo se
mide en términos de su unidad seca y peso”. (MARIN, 2010)
Ilustración 6 Principio de la Compactación (relación humedad y densidad)
Fuente: (DAS, 2010)
Durante la compactación, el agua actúa como un reblandecimiento de las
partículas del suelo, las cuales se deslizan y por ende aumentan la densidad del
mismo.
La humedad hace que la compactación aumente, esto hace que el peso de los
sólidos del suelo aumente de manera gradual.
23
2.6.3.1 Prueba Proctor Estándar.
En la prueba de Proctor, el suelo se puede compactar en un molde de un
volumen de 944 cm3. Y un diámetro de 101,6 mm. Este se adjunta a una placa en la
base inferior y una extensión en la parte superior, al ser mezclada con una
determinada cantidades de agua, esta se compacta en tres capas iguales con un
martillo que tiene una masa de 2,5 kg proporcionando 25 golpes en cada capa
desde una altura de 30,5 cm. (DAS, 2010)
2.6.3.2 Factores que afectan la compactación.
La humedad desempeña un papel muy importante sobre el grado de
compactación del suelo, existen otros factores que afectan la compactación así
también como en tipo de suelo (energía por unidad de volumen).
Por lo antes indicado se puede decir que el efecto del tipo de suelo es la
distribución del tamaño, sólidos del suelo, cantidad, tipo de minerales y la forma del
grano que existen en el suelo. La imagen N. 7 muestra múltiples curvas de
compactación de cuatro tipos de suelo donde se puede observar que en las arenas,
el peso unitario seco tiene una tendencia general a disminuir si la humedad
aumenta. Este se atribuye a la tensión capilar la cual inhibe la tendencia del suelo
en partículas que se mueven alrededor y se compacta.
24
Ilustración 7 Curvas típicas de compactación (arenas y arcillas)
Fuente: (DAS, 2010)
2.6.4 Permeabilidad.
Los suelos son permeables debido a la existencia de poros interconectados a
través de los cuales el agua puede fluir desde puntos de alta energía a los puntos
de baja energía. (SNEIJDER, 2008) Este estudio es considerado necesario porque a
través de él, se puede estimar la infiltración subterránea para revisar y corregir
cualquier problema de bombeo para la construcción subterránea, y para el análisis
de la estabilidad que están sujetos a fuerzas de filtración.
2.6.4.1 Ecuación de Bernoulli.
De la mecánica de fluidos, sabemos que, de acuerdo con la ecuación de
Bernoulli, la carga de presión total en un punto en el agua bajo movimiento este
puede ser expresada por la suma de la carga de presión, carga de la velocidad, y la
carga de elevación.
25
La carga de elevación Z, se la considera como la distancia vertical de un punto
dado encima o debajo del plano de referencia.
La carga de presión es la presión del agua, u, en ese punto dividido por la
unidad peso de agua, ɣw.
g aceleración debida a la gravedad
v velocidad
u presión
H altura total
Si la ecuación de Bernoulli se aplica al flujo de agua de un suelo poroso, la
velocidad de infiltración es pequeña, y por ende este puede ser depreciado en la
altura total de cualquier punto y se puede representar mediante la siguiente
ecuación
La imagen N.8 da a conocer la relación entre la presión, elevación y cabezas
totales del suelo para el flujo de agua. “Grifos abiertos llamados piezómetros
instalados en los puntos A y B. Los niveles a los que agua se eleva en los tubos
piezométricos situados en los puntos A y B son conocido como los niveles
26
piezométricos de los puntos A y B, respectivamente. La carga de presión a una
punto es la altura de la columna vertical de agua en el piezómetro instalado en ese
punto”. (MARIN, 2010)
Ilustración 8 Carga de presión, elevación y total en el flujo de agua a través del suelo
Fuente: (DAS, 2010)
La pérdida de carga entre dos puntos, A y B, puede ser dada por
La pérdida de carga, Δ h, se puede expresar en una forma no dimensional como
Donde:
i gradiente hidráulico
L distancia entre los puntos A y B
27
2.6.4.2 Ley de Darcy.
Se publicó una ecuación simple en el año de 1856 creada por Darcy en la cual
indica que la velocidad de descarga puede ser expresados como:
Donde:
v: es la velocidad de descarga, mediante cual el agua fluye por unidad
de tiempo en un ángulo recto.
k es conocida como el coeficiente de permeabilidad.
Esta ecuación se basa en las observaciones que realizó sin embargo, la
velocidad de filtración del agua es mayor que v.
Ilustración 9 Flujo de agua a través del suelo
Fuente: (DAS, 2010)
La relación que existe entre la velocidad de descarga y la infiltración se puede
derivar haciendo referencia a la Imagen 9, en esta imagen se observa un suelo de
longitud L con un área de sección transversal A, y se expresa mediante la siguiente
fórmula:
28
2.6.4.3 Conductividad Hidráulica.
La conductividad hidráulica “se expresa generalmente en cm/s o m/s en unidades
SI y en ft/min o pies/día en unidades inglesas”. (SNEIJDER, 2008) La conductividad
hidráulica depende de múltiples factores: la viscosidad del fluido, la rugosidad de las
partículas minerales, el tamaño de los poros, la relación de vacíos, el grado de
saturación del suelo, y la distribución de tamaño de los granos.
La estructura en los suelos arcillosos determina un papel importante en la
conductividad hidráulica, la permeabilidad de las arcillas también es afectada por la
concentración iónica y el espesor en las capas de agua que cubren las partículas de
los suelos de arcilla. Esta varía para diferentes suelos. Algunos valores típicos para
suelos saturados se dan en la Tabla siguiente.
Tabla 2 Coeficiente de permeabilidad
Tipos de suelo Grado relativo permeabilidad
Coeficiente de permeabilidad
K (cm./seg.) Propiedades de drenajes
Grava limpia Alto 1x10-1 Buena
Arena limpia Medio 1x10-3 Buena
Grava arenosa Medio 1x10-3 Buena
Arena fina Bajo 1x10-3 a 1x10-5
Franca a pobre
Limos Bajo 1x10-3 a
1x10-5 Franca a pobre
Arena limo arcilloso Muy bajo 1x10-4 a 1x10-7
Pobre o prácticamente imperceptible
Arcilla homogénea Muy bajo a
prácticamente impermeable
<1x10-7 Prácticamente imperceptible
Fuente: (BADILLO) Elaboración: A. Casagrande
29
La conductividad hidráulica se relaciona con las diferentes propiedades del fluido
y esta se da a través de la siguiente ecuación
Donde:
ɣw peso específico del agua
n: viscosidad del agua
K: permeabilidad absoluta
2.6.5 Filtración.
En mayoría de los casos, el flujo de agua que se genera del suelo no es
considerado una simple dirección y muchas veces tampoco es uniforme, en tales
casos, es calculado por el uso de gráficos los cuales se les conoce como redes de
flujo. El concepto del flujo neto se centra en la ecuación de la continuidad de
Laplace, en la cual determina que rige la condición de flujo constante en la masa
del suelo.
2.6.5.1 Ecuación de Laplace.
En la ecuación diferencial de Laplace de continuidad, se toma en consideración
una sola fila de tablestacas en la cual se estima que esta es impermeable, el flujo en
estado estacionario de la cara de aguas arriba al lado de aguas abajo a través de la
capa permeable es conocido como un flujo de dos dimensiones.
30
Ilustración 10 Flujo a través de suelo con fila de tablestacas en suelo permeable
Fuente: (DAS, 2010)
Para el flujo en un punto A, se considera un bloque de suelo elemental, el bloque
tiene dimensiones dx, dy, dz y (dy perpendicular al plano del papel); esta se
muestra en una escala ampliada en la imagen N 10 donde vx y vz son los
componentes horizontal y vertical de la velocidad. La velocidad del flujo de agua es
igual a dy/dz vx, y en la dirección vertical es vz dy/dx. Y los caudales de flujo de
salida desde el bloque en las direcciones horizontal y vertical respectivamente.
Ilustración 11 Flujo a través de un bloque de suelo elemental
31
Fuente: (DAS, 2010)
Suponiendo que el agua es incompresible y que ningún cambio de volumen
en la masa del suelo ocurre, el caudal total de entrada debe ser igual al caudal
total de flujo de salida. (SNEIJDER, 2008)
Considerando a la ley de Darcy, las velocidades de descarga se pueden
expresar como:
En donde kx y kz son las conductividades hidráulicas en las direcciones
horizontal y vertical, respectivamente, de lo anterior podemos escribir que:
Si se considera un suelo isotrópico con respecto a la conductividad hidráulica
entonces kx = kz y la ecuación anterior para flujo bidimensional se simplifica a
32
2.6.5.2 Red de flujo.
La ecuación de continuidad en un medio isotrópico “representa dos familias
ortogonales de curvas, es decir, las líneas de flujo las líneas equipotenciales. Una
línea de flujo es una línea a lo largo el cual una partícula de agua viajará desde
aguas arriba hacia el lado aguas abajo en un suelo permeable”. (REYES, 2011)
Una línea de equipotencial en la carga potencial en todos los puntos es la misma,
por lo cual, si se instalan piezómetros a lo largo de una línea equipotencial, el nivel
de agua llega en una misma dirección en todos ellos.
Ilustración 12 Gráfico de línea de flujo y línea equipotencial
Fuente: (DAS, 2010)
En la figura anterior se observa la definición de las líneas de flujo y líneas
equipotenciales alrededor de la fila de tablestacas que se muestra, una combinación
de números y líneas de flujos es considerada una red de flujo.
33
Para obtener el cálculo del flujo de las aguas subterráneas y la evaluación de las
cargas de presión en el suelo se debe graficar la red de flujo en la cual se debe
dibujar el flujo y líneas equipotenciales de tal manera que:
1. Las líneas equipotenciales lleguen a interceptar a las líneas de flujo mediante un
ángulo recto.
2. Los elementos de flujo son cuadrados aproximados.
En estas figuras, Nf es el número de canales flujo y Nd es el número de caídas
de potencia, el grafico de una red de flujo debe cumplir las siguientes condiciones
de contorno:
Ilustración 13 Gráfico de Red de flujo
Fuente: (DAS, 2010)
a) : Las superficies aguas arriba y aguas abajo de la capa permeable son
consideradas líneas equipotenciales.
b) Debido a que “ab” y “de”, es posible que todas las líneas de flujo se puedan
interceptan en ángulo recto.
c) El límite del estrato impermeable, línea fg, y la superficie de la tablestaca
línea acd, son líneas de flujo.
34
2.6.5.3 Calculo de Filtraciones a partir de la red de flujo.
En una red de flujo la intersección entre dos líneas se llama un canal de flujo.
(RAMIREZ VESQUEZ, 2003-2004) La imagen N.14 se observa un canal de flujo en
elementos cuadrados, si h1, h2, h3, h4,. . ., Hn son los niveles piezométricos estas
corresponden a las líneas equipotenciales, la tasa de filtración se calcula por el flujo
de a través de líneas de una red de flujos.
Ilustración 14 Canal de flujo y líneas equipotenciales
Fuente: (DAS, 2010)
A partir de la ley de Darcy, la velocidad de flujo es igual a K i a. por lo tanto
Al mostrarse los elementos se ven como cuadrados aproximados, la caída del
nivel piezométrico entre las dos líneas equipotenciales adyacentes en el cual la
caída de potencial es la siguiente:
35
De donde se obtiene que
Donde
H es la diferencia de presión entre los lados aguas arriba y abajo
Nd número de gotas potenciales
Si el número de canales de flujo en una red de flujo es igual a Nf, la tasa total de
flujo a través de todos los canales por unidad de longitud se puede dar por:
Y por lo tanto:
2.6.5.4 Filtraciones a través de presas de tierra.
Las Presas de Tierra se constituyen en un caso de flujo libre ya que no se
conoce una de las fronteras de la región de flujo. En el año 1863 DUPUIT analizó
el problema de un flujo confinado partiendo de las siguientes hipótesis:
El gradiente en el plano vertical es el mismo que la pendiente superior del
flujo.
El gradiente resulta ser más constante en cualquier plano vertical.
36
De acuerdo con la Ley de Darcy en la imagen 15 tenemos:
Integrando tenemos:
Donde q es el caudal y c una constante que depende de las fronteras.
Ilustración 15 Gráfico de Línea superior de flujo a través de una presa de tierra
Fuente: (BADILLO)
El flujo en la presa de tierra es más bien conocida como línea de corriente
superior, esta línea se la puede reconocer como una línea equipotencial, los puntos
tienen una fuerte presión atmosférica, en consecuencia las líneas equipotenciales
cortaran la línea de corriente superior a intervalos verticales ∆h iguales entre sí.
(Armas Novoa & Horta Mestas, 1987).
37
Ilustración 16 Parábola de Kozeny, grafico de línea superior de flujo a través de una presa de tierra.
Fuente: (MARIN, Mecanica de suelos)
Para el caso de un drenaje horizontal como el indicado en la Imagen 17 A,
Kozeny desarrolló la solución, en la cual las líneas de flujo y las equipotenciales son
parábolas con un foco común en el punto F, es decir que:
Donde y = h y x = d, la ecuación es la siguiente.
Ahora el gradiente hidráulico en el punto E esta dado por :
Y por lo tanto el caudal en la sección E-F se calcula mediante la expresión:
38
Una vez determinada la línea superior del flujo de acuerdo con este
procedimiento, se dibuja la recta construyendo una familia de parábolas ortogonales
con foco en el punto F, esto hace que la corrección comience en el punto B.
2.7 Estabilidad de Taludes
Desde hace muchas décadas atrás en la ingeniería se han utilizado mucho los
análisis de equilibrio en los cuales se puede evaluar la estabilidad de los taludes
esta teoría fue introducida a inicios del siglo 20 y se ha constituido en la técnica
numérica más antigua. (CARBALLO, 2012)
A inicios del año 1996, Petterson introdujo el análisis de la estabilidad del
Stigberg Quay en Suecia. Durante las siguientes décadas, Fellenius introdujo el
método ordinario o sueco de rebanadas. Sin embargo se desarrollaron otros
avances en este método siendo los protagonistas de este avance Janbu y Bishop
.En la década de 1960 con el empleo de computadoras fue más factible manejar
diferentes métodos lo que llevó a formulaciones matemáticas más desarrolladas por
Morgenstern y Price y por Spencer durante 1960 y 1967.
Esta computadoras fueron de gran alcance a principios de 1980 se hizo
económicamente viable desarrollar software comercial basados en estas técnicas, y”
la fácil disponibilidad actual de tales productos de software ha llevado al uso
rutinario de análisis de estabilidad de equilibrio límite en práctica de la ingeniería
geotécnica”. (SNEIJDER, 2008). Los análisis de equilibrio límite en la actualidad se
39
utilizan de manera rutinaria para la estabilidad de las estructuras de tierra, sin
embargo los fundamentos de estos métodos no están tan bien entendidos y las
expectativas superan lo que los métodos pueden proporcionar.
Este análisis se basa exclusivamente a ecuaciones de estática con un factor de
seguridad continuo, es importante que para usar estos métodos de equilibrio se
debe entender y comprender las limitaciones.
2.7.1 Métodos básicos.
Se han logrado desarrollar múltiples técnicas para el método de las rebanadas,
la mayor parte de estas tienen mucha similitud. Con el paso de los años las
diferencias entre los métodos son en función de: las ecuaciones de la estática se
satisfacen, que fuerzas se incluyen y cuál es la supuesta relación entre las fuerzas
cortantes y normales.
El primer método desarrollado fue el método ordinario, o Fellenius , la adopción
de estos supuestos permiten calcular un factor de seguridad utilizando cálculos
manuales.
En el año de 1955 Bishop ideó un plan que incluía fuerzas normales entre
rebanadas, pero ignoraba las fuerzas de corte entre las mismas el método
simplificado de Bishop safisface un único equilibrio de momentos, este método es
de vital importancia, se constituye el hecho mediante el cual la inclusión de las
40
fuerzas normales entre rebanadas, es no lineal y se resuelve mediante un
procedimiento iterativo.
El método del Janbu es similar al método de Bishop, en el se incluye fuerzas
normales entre cortes y no toma en consideración al corte de rebanada, mientras
que el método de Janbu logra fortalecer el equilibrio de las fuerzas horizontales.
En la actualidad las computadoras cuentan con diferente software que permiten
manejar métodos más acualizados que cuentan con ecuaciones y formulaciones
matemáticas como los métodos de Morgenstern-Price y Spencer
2.7.2 Superficie de deslizamiento.
La estabilidad de equilibrio límite es el analizar muchas superficies de
deslizamiento y encontrar la superficie de deslizamiento que produce el factor de
seguridad más bajo.
La forma de la superficie se puede definir por características geológicas como
fallas o pre-fisuradas, estas sin embargo con estos controles es muy importante
analizar muchas superficies de deslizamiento.
Las propiedades de resistencia, afecta la superficie de deslizamiento, la posición
de la superficie de deslizamiento crítico para un suelo puramente fricciónante (c = 0)
es radicalmente diferente que para un suelo con resistencia no drenada (φ = 0).
Por lo tanto es de suma importancia definir las propiedades del suelo en términos
de parámetros de resistencia eficaces.
41
Encontrar la forma crítica la superficie de deslizamiento y la posición sigue es
una de las claves en cualquier análisis de estabilidad de equilibrio.
2.7.3 Formas de superficie de deslizamiento.
La fuerza entre rebanadas en su gran medida depende del giro potencial en el
que la masa se somete al moverse, es de menor importancia para algunos tipos
de movimiento, en el factor de seguridad tiene un gran significado. (LANCELLOTTA,
2009)
2.7.3.1 Superficie de deslizamiento circular.
En una superficie de deslizamiento circular el momento de equilibrio es
completamente independiente de las fuerzas de cizallamiento entre rebanadas.
(REYES, 2011)
Ilustración 17 Gráfico de Superficie de falla circular
Fuente: (GEO-SLOPE, 2008)
La fuerza de equilibrio, sin embargo, siempre va a depender de las fuerzas de
cortante entre rebanadas. El equilibrio no está influenciado por las fuerzas de
42
cortante debido a que la masa deslizante puede girar como un cuerpo libre sin
ningún deslizamiento entre las rebanadas.
Un deslizamiento entre rebanadas es necesario para que la masa deslizante se
mueva lateralmente, como consecuencia, el equilibrio de fuerzas horizontal es
sensible al cortante. Desde el momento de equilibrio es completamente
independiente del cortante entre rebanadas, respecto a una función de la fuerza
entre cortes es irrelevante. La fuerza de corte entre rebanadas puede suponerse
cero, como en el método simplificado de Bishpo, y aun así obtener un factor de
seguridad aceptable, siempre que el método satisfaga el momento equilibrio. Para el
método de Janbu el equilibrio de fuerzas es basado en horizontales.
2.7.3.2 Superficie de deslizamiento plana.
Ilustración 18 Gráfico de superficie de falla plana
Fuente: (GEO-SLOPE, 2008)
En las superficies de deslizamiento plana, el momento y la fuerza de equilibrio
tienen posiciones inversas, el equilibrio es completamente independiente de la
fuerza de corte entre rebanadas, mientras el equilibrio de momentos es bastante
43
sensible a la fuerza cortante entre rebanadas. La cuña en la superficie de
deslizamiento plana se puede mover sin ningún deslizamiento entre las rebanadas.
2.7.3.3 Superficie deslizante Compuesta.
Una superficie de deslizamiento compuesta es aquella donde la superficie de
deslizamiento es en parte en el arco de un círculo y en parte una superficie plana,
(MARIN, 2010)como se ilustra en la Figura siguiente
Ilustración 19 Gráfico de Superficie de falla compuesta
Fuente: (GEO-SLOPE, 2008)
En este caso, tanto el momento y la fuerza de equilibrio están influenciados por
las fuerzas de cortante entre rebanadas.
2.7.3.4 Superficie de deslizante con forma de bloque.
El momento y la fuerza de equilibrio a la vez están influenciados por la fuerza
contante entre rebanadas. La fuerza de equilibrio es mucho más sensible a las
fuerzas de cortante que el momento equilibrio, es fácil visualizar. (GEO-SLOPE,
2008)
44
2.7.4 Fuerzas de filtración.
Si se considera una rebanada donde la superficie freática pasa a través de la
rebanada en un ángulo pronunciado respecto a la base. La fuerza del agua en el
lado izquierdo de la rebanada es más grande que en el lado derecho. La diferencia
en las fuerzas de agua de un lado a otro lado de la rebanada se conoce como una
fuerza de la filtración. La energía se pierde o disipada según el agua fluye a través
de la rebanada y la fuerza de la filtración es proporcional a la pérdida de energía.
(MARIN, 2010)
Si la fuerza de la filtración se considera es necesario hacer frente a múltiples
fuerzas entre cortes, por debajo de la superficie freática que necesitará una fuerza
de agua y una fuerza suelo, donde la fuerza del suelo se determina a partir del área
sumergida, mientras que por encima de la superficie freática, la fuerza del suelo es
determinado por el peso total de la unidad.
45
Ilustración 20 Gráfico de fuerzas de filtración
Fuente: (DAS, 2010)
2.7.5 Método de Fellenius.
Este método es mejor conocido como el sueco, se puede calcular factores de
seguridad. Usando cálculos manuales. (Bray, 2009)
En este método, se ignoran todas las fuerzas entre rebanadas, el peso rebanada
de la rebanada se descompone en fuerzas paralelas y perpendiculares a la base de
la rebanada. La fuerza perpendicular a la base de rebanada es la fuerza normal de
base, que se utiliza para calcular la fuerza cortante disponible, el componente de
peso paralela a la base rebanada es la fuerza motriz gravitacional, la suma de
momentos respecto a un punto utilizado para describir la superficie de
deslizamiento de prueba también se utiliza para calcular el factor de seguridad.
46
Mediante la siguiente formula se puede definir que el factor de seguridad es el
total de la resistencia al corte disponibles a lo largo de la superficie de deslizamiento
el cual está dividido por la suma de las fuerzas motoras gravitacionales. La forma
más simple de la ecuación del factor de seguridad en ausencia de presiones de
agua de los poros en la superficie de deslizamiento circular es:
Donde:
c = cohesión,
β = longitud de la base rebanada,
N = base de lo normal (W cos α),
φ = ángulo de fricción,
W = peso rebanada, y
α = inclinación de la base rebanada.
2.7.6 Método de Bishop
En el año 1950 Bishop, ideo un método que incluyó fuerzas normales entre
rebanadas, pero ignora las fuerzas de cortante entre las mismas. (MARIN, 2010)
Bishop desarrolló una ecuación, como consecuencia de esto es que la fuerza
normal a la base de la rebanada se convierte en una función del factor de seguridad.
47
La fórmula que se considera la más simple para el cálculo del factor de
seguridad es el método simplificado del Bishop la cual es:
Donde
Para resolver este método, es necesario asumir un FS inicial, la estimación inicial
para el FS este se utiliza para calcular mα y luego un nuevo FS es calculado, el
procedimiento se repite hasta que el último FS calculado está dentro de una
tolerancia especificada del FS anterior.
2.7.7 Vaciado Rápido.
Para el análisis de estabilidad en el vaciado rápido es muy importante el diseño
de la presa, durante reducción rápida de la carga hidráulica, la estabilización del
agua se pierde, pero las presiones de agua de poros dentro del terraplén pueden
permanecer altos, como resultado, la estabilidad de la cara aguas arriba de la presa
puede reducirse mucho. (MARIN, 2010)
La permeabilidad y el almacenamiento son características principales para la
construcción de un terraplén. Este material son considerados muy permeables por
48
ende el drenaje es mucho más rápido que los que tienen baja densidad de
permeabilidad, que drenan de una manera más lenta.
Un enfoque simple y conservadora es asumir que el proceso de vaciado rápido
ocurre instantáneamente, con este supuesto, la fuerza de estabilización, debido al
peso del agua hacia aguas arriba se reduce de inmediato, pero la superficie
piezométrica sigue el superficie de la pendiente ascendente y se mantiene sin
cambios dentro del dique de contención como muestra en la figura siguiente es la
superficie piezométrica que se utiliza para calcular las presiones de poros a lo largo
de la superficie de deslizamiento.
Ilustración 21 Posición de la línea de flujo superior durante el vaciado rápido
Fuente: (GEO-SLOPE, 2008)
En otras palabras, cuando el nivel de agua en el depósito se reduce, la presión
del agua de los poros en el material directamente debajo se reduce en un 100% del
peso del agua. Esta es una suposición razonable, ya que las pendientes
ascendentes generalmente se construyen con buen drenaje, materiales altamente
permeables. (SNEIJDER, 2008)
Además, los materiales son por lo general totalmente saturados antes que se
produzca el vaciado y el agua dentro de los materiales está conectada al depósito.
49
Generalmente, el enfoque de fuerza simple y efectivo representa el peor de los
casos, esto se debe a que el vaciado rápido rara vez se produce instantáneamente
y la presión de poros de agua en el material aguas arriba tiende a disiparse con
bastante facilidad durante el proceso de reducción. (REYES, 2011)
2.8 Análisis Sísmico de Estabilidad.
Estas fuerzas son: oscilatorias, multidireccionales, y actúan sólo para los
momentos en el tiempo, a pesar de esta respuesta compleja, también se utiliza
fuerzas estáticas para disminuir la carga dinámica.
Un análisis pseudoestático sacude fuerzas de inercia, estas fuerzas actúan en
las direcciones horizontal y vertical en el centroide de cada rebanada, las fuerzas se
definen como:
La relación a/g se considera un coeficiente adimensional k., el efecto inercial
es especificado como coeficientes kh y kv., estos coeficientes son más
conocidos como un porcentaje que acelera la gravedad g.
Las fuerzas de inercia horizontales es aplicable como una fuerza horizontal
sobre cada rebanada
Las Fuerzas de inercia verticales mientras tanto añaden al peso de la
rebanada.
50
Al aplicar coeficientes sísmicos estos provocan poco impacto en el factor de
seguridad, se considera que estas fuerzas alteran el peso de la rebanada.
2.8.1 Análisis Sísmico de taludes basado en desempeño.
En los últimos años los taludes y terraplenes han sido afectados por los
movimientos telúricos y sismos, y dependiendo de la magnitud del grado pueden
afectar a las obras geotécnicas sin embargo estas pueden repararse más
fácilmente, por lo que es importante que estas puedan sufrir ante un evento sísmico
que estando dentro de los límites establecidos puedan asegurar una rápida
reparación.
En la ingeniería geotécnica sísmica este proceso se ha incrementado con el paso
de los años, ya que ofrece una serie de ventajas sobre otros métodos, y se puede
desarrollar la flexibilidad, objetividad, consistencia y relevancia para poder llevar a
cabo un proyecto, al desarrollar un análisis con este método, se evalúa de manera
constante el desempeño. El análisis del desempeño permite factores de seguridad
menores que la unidad, también se puede mantener las deformaciones y los
desplazamientos realizados por el sismo claro está considerando el rango
permisible, este movimiento se compara con un valor de referencia. Si este valor es
mayor que el límite permisible, el diseño original debe ser modificado. (BRAY, 2011)
51
2.8.1.1 Descripción Método Análisis Bray&Travasarou.
La magnitud del coeficiente sísmico, que es aplicado a la masa potencialmente
deslizante para representar el efecto desestabilizador de un sismo, es un
componente crítico del procedimiento. (REYES, 2011)
Este valor debe basarse en la amenaza sísmica depende mucho también de la
cantidad de desplazamiento la cual representa un desempeño satisfactorio para el
proyecto.
“Si el valor del coeficiente sísmico, calculado bajo las premisas de desempeño, es
utilizado en un análisis pseudoestático de estabilidad de taludes y el factor de
seguridad es igual o mayor a la unidad, entonces el desplazamiento sísmico
permanente será menor o igual al desplazamiento sísmico permisible”. Bray &
Travasarou (2009)
Para calcular el valor de coeficiente sísmico y la amenaza se toma en
consideración la siguiente fórmula:
52
Cuando Ts<0,05 s, se debe cambiar el termino 1,10 por 0,22.
Donde:
k: es considerado el coeficiente de fluencia (sin unidades)
Ts: describe al periodo fundamental inicial de la masa
deslizante (segundos)
Sa: es la aceleración espectral elástica con un 5% de amortiguamiento a un
periodo de 1,5*Ts
M: magnitud momento del sismo
Da: desplazamiento sísmico permisible (centímetros)
Para el cálculo del coeficiente sísmico en función de la demanda sísmica
esperada para el sitio del proyecto y el nivel deseado de desempeño de la
estructura de tierra o taud, generalmente se calcula el valor del coeficiente sísmico
en relación de los desplazamientos permitidos. Bray & Travasorou (2011)
El procedimiento propuesto por los autores antes mencionado, aplicable a suelos
cohesivos y no cohesivos queda de tal manera:
• Al realizarse la evaluación sísmica se considera los materiales que pueden
perder su resistencia si esto sucede se debe de enfocarse en evaluar su
resistencia cíclica. Por lo cual se recomienda utilizar resistencias post-sismo
reducidas, de ser necesario.
53
• Desarrollar el desplazamiento sísmico permisible (Da, en centímetros) y el
porcentaje de excedencia a través de consultas con el dueño del proyecto,
para evaluar los desempeños favorables o los de menor favorecimiento para
la toma de decisiones.
• Para la estimación del periodo inicial de la masa altamente deslizante (Ts)
se utiliza la formula Ts=4H/Vs, donde H es la altura de la masa
potencialmente deslizable y Vs se relaciona con el promedio de la velocidad
de onda de la masa.
• La demanda sísmica se define en términos de la aceleración espectral de
diseño para las condiciones de sitio al periodo degradado de la masa
deslizante.
• Para el cálculo del coeficiente sísmico se venido utilizando la Ecuación 2 y
al aplicar este coeficiente sísmico en la estabilidad de taludes se permite que
satisfacer tres condiciones de equilibrio. Si el factor de seguridad resultante
es mayor o igual a la unidad, (se considera que el sistema se comportará
satisfactoriamente) dado que el desplazamiento causado por el sismo será
considerado como permisible (Da).
54
2.9 Estados de Carga Analizados
2.9.1 Condición Inicial Aguas Arriba y Aguas abajo.
El estado de condición inicial se refiere al momento de finalización de la
construcción pero antes de la puesta en servicio de la estructura, es decir sin
presencia de línea de saturación, el software presenta los resultados para las
posibles superficies de deslizamiento. (MARIN, 2010)
2.9.2 Condición Estática Primer llenado NAMO Aguas Arriba y
Aguas Abajo.
El primer llenado se refiere al momento en que el embalse llega a su nivel de
operación para realizar este cálculo se debe de conocer las coordenadas y esta se
encuentra en las fórmulas de los capítulos anteriores.
2.9.3 Condición Nivel de Operación NAMO mas sismo.
Este se refiere al instante en el cual el embalse está operando y sufre los efectos
de un sismo mediante el software se dan a conocer los resultados de las superficies
de deslizamiento.
55
2.9.4 Vaciado Rápido.
Este estado se lo conoce como un desembalse rápido, mediante el cual se
pierde la carga de agua sin embargo en el lado de aguas arriba permanece la
presión de poros debido a un lento drenaje del talud.
Para realizar este trabajo investigativo se han considerado los factores de
seguridad mínimos que exige la Norma Española en los diferentes estados de
carga, aunque no se considere el efecto de los sismos.
Tabla 3Taludes Recomendados Para Las Presas De Tierra Homogéneas Sobre Cimentaciones Estables
Estado de Carga Sin Efecto Sísmico Con Efecto Sísmico
Final de Construcción 1.2 1
Operación 1.4 1.4
Desembalse Rápido 1.3 1.1
Fuente: (Ortega) Ortiz W & Ortega
Elaboración: Tesis Universidad de Cuenca 2014
56
CAPITULO III
DESARROLLO DE LA INVESTIGACION
3.1 Información Básica
3.1.1 Cartografía y Topografía.
En este trabajo se obtuvo información de las cartas topográficas Chanduy las
cuales fueron elaboradas por el Instituto Geográfico Militar - IGM a escala 1:50000,
donde consta la ubicación del sitio y la red hidrográfica existente.
3.1.2 Información Geológica y Geotécnica.
La información Geológica básica se obtuvo de los mapas geológicos elaborados
por el Instituto de Energía y Minas donde se detallan las formaciones geológicas
existentes en el sitio así como la ubicación de fallas y fracturas cercanas al sitio del
proyecto.
3.1.3 Geología y geotecnia.
El sitio de construcción de las presas de tierra es estudiado desde el punto de
vista geológico y geotécnico a estudiar las características de permeabilidad, se
determina las posibles filtraciones y fallas que ocasionan la pérdida del agua, y esto
a su vez provoca cambios en las condiciones de los mismos.
57
Se concluye que las mejores condiciones para la construcción de presas las dan
los suelos con alto contenido de arcillas o los que se constituyen por rocas sanas,
mientras que los suelos limo-arenosos son los más recomendados. Al haber
considerado múltiples factores se observa que si existen filtraciones muy grandes
no es factible que se construyan presas de almacenamiento.
3.1.4 Geología general de la región.
El área abarcada por la Hoja Geológica Chanduy está ubicada en la parte central
de la plataforma de Santa Elena y llega hasta el borde occidental de la cuenca
Progreso separadas por la Falla Santa Cruz de dirección NW, se encuentran
vegetación en la zona que va desde árida a semidesértica, también se encuentran
rocas sedimentarias, se presenta una breve descripción de las unidades geológicas
existentes en el sitio.
Grupo Azúcar (Paleoceno Inferior - Eoceno Medio). El lugar de definición es
Cerros de Azúcar (463 512) según Smith (1947). Este está representado por
areniscas bien compactas con un alto porcentaje de cuarzo y cantidades menores
de arcilla; no se observan afloramientos de la serie conglomerática de la unidad
media (Chanduy). El contacto de la base es por lo general fallado y muy pocas
veces discordante con los terrenos de! Cretáceo subyacente. La potencia varia de O
a 2.000 m. Los estudios anteriores establecen que el Grupo Azúcar se encuentra
comprendido entre el Dáñense y la parle baja del Eoceno Medio (Thalmann, 1946).
Grupo Ancón (Eoceno Medio a Superior). Definido por Williams (1947). Se
considera como parte del Complejo Olistostrómico de Santa Elena (Colman 1970).
58
Este grupo está compuesto por estratos centimétricos de arenisca, arcillita y lulitas
las cuales cambian de color azul a gris. La potencia de esta se la puede considerar
en 1000 m. De acuerdo con estudios micropaleontológicos anteriores de (Stainforth
1947) la edad se enmarca entre la parte alta del Eoceno Medio y el Eoceno
Superior.
Formación Zapotal (Oligoceno Superior). Definida como “Zapotal Sandstone”
por Olsson (1931) y más luego en el mismo sentido, como Formación (Canfield
1966). Ahora está considerado con el miembro basal de la Formación Tosagua
(Bristow en impresión; hoja del estero salado). Los afloramientos típicos se hallan en
la carretera Guayaquil – Santa Elena, 3 Km. Al este del poblado de Zapotal (509 –
438). Este está constituido en su mayoría por areniscas gruesas macizas y
conglomerados que afloran al Suroeste de la zona y constituyen el contacto
discordante con las formaciones subyacentes. El espesor aproximado del miembro
es de 400 m.
Formación Tosagua (Dos Bocas) (Oligoceno Superior-Mioceno Inferior). La
localidad tipo es la de los cortes de la vía férrea cercanos al pueblo de Dos Bocas
(552 450), actualmente se encuentra en abandono. Por razones de litologia y de
fauna las formaciones Tosagua y Dos Bocas se unifican bajo el nombre de For-
mación Tosagua. Esta zona está representada por arcillas de color café chocolate y
lutitas de color blanco, considerándose a las primeras como la parte más baja
conocida como Tosagua y. a las segundas como la parte alta, o el Miembro
Villingota.
59
Esta separación sólo es posible en la parte Suroeste y en la Hoja Estero Salado
(17) al Sur. El contacto con la Formación Zapotal subyacente es gradual. La
potencia según los diferentes pozos varía de 0 a 1.000 m. Por los estudios
micropaleontológicos anteriores (Sigal, 1968) se considera a la Formación como del
0-ligoceno Superior hasta el Mioceno Inferior. De acuerdo con estudios anteriores
del miembro la edad oligócenica superior (Olsson 1931; Bristow en impresión).
3.1.5 Geología local.
Formación Tablazo (Pleistoceno) esta formación se puede observar desde la
Provincia de Santa Elena y en el sur de la provincia, en la parroquia Chanduy
pasando hasta la ciudad de Manta en la provincia de Manabí. La formación del
suelo se presenta de una forma totalmente arenosa tanto que las dunas se derivan
de esta formación, se localizan restos erosionados de areniscas, esta formación se
encuentra subyacente a cualquier formación anterior y su promedio es de 30
metros aproximadamente.
60
Ilustración 22 Afloramiento Formacion Tablazo.
Fuente: Sitio de Presa El Chapucal Margen Izquierdo
Ilustración 23 Presa El Chapucal. Conglomerado calcáreo característico de la formación Tablazo Se observa presencia de conchilla y arenas.
Fuente: C. Garzón
3.1.6 Geotecnia del sitio.
En este lugar se puede encontrar afloraciones conglomerados de conchas
marinas y arenas sementadas con sales de calcio. La presencia de rocas de alta
porosidad es lo que le permite almacenar grandes cantidades de agua por
infiltración.
61
3.2 Investigación del sitio del proyecto
3.2.1 Trabajo de Campo.
Los trabajos de campo se han realizado en recorridos del sitio de ubicación de
la presa El Chapucal para la ubicación geográfica se utilizó GPS y así se tomaron
las coordenadas del sitio.
Para la topografía se utilizó un equipo de estación total mediante el cual realizo el
levantamiento de datos de campo en una faja de cien metros hacia aguas arriba y
cien metros hacia aguas abajo del eje de la presa.
Además de hacerse un recorrido por el sitio para lograr identificar materiales a
ser utilizados para el análisis del pre diseño; se realizaron tres calicatas para la
toma de muestras del suelo.
3.2.2 Ubicación de la Cantera.
Se realizó un recorrido del área al sitio de emplazamiento de la presa, en donde
a una distancia considerable se observó una secuencia de materiales, entre
arcillas, limos arenosos y arenas.
En el plano que se adjunta en la investigación se da a conocer la ubicación de la
fuente de material seleccionado para la extracción de materiales para la elaboración
de filtros y drenes.
62
3.2.3 Investigación Geotécnica Realizada.
Con el ensayo de laboratorio realizado dio como resultados que se pudo realizar
perfiles geotécnicos con el único fin de realizar la cuantificación, explotación y
control de calidad de los materiales. En la selección del material se determinaron
los parámetros geotécnicos de dos materiales individuales y de la mezcla de los
mismos en proporción 70 /30, determinándose tres tipos de materiales.
3.4 Trabajo de Laboratorio
Estas muestras fueron sometidas a diferentes ensayos y análisis de laboratorio
para determinar los correspondientes parámetros geotécnicos:
Ensayo de Limite Liquido, Plástico y Limite de contracción (Limites de
Aterberg)
Contenido de Humedad
Análisis Granulométrico
Porcentaje que pasa el Tamiz 200
Ensayo Proctor Standar
Ensayo de corte drirecto
Los parámetros geotécnicos se presentan a continuación.
63
3.4.1 Material A. Limos Arenosos.
De acuerdo a la clasificación del sistema unificado de suelos (SUCS) el material
analizado corresponde a Limos arenosos Tipo SC.
Limite Liquido: 10
Índice de Plasticidad: 6,8
Densidad máxima Ensayo Proctor Estándar γ = 1728 kg/cm2
C = 0,07 kg/cm2
Ø =8,03º
64
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ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
ENSAYO GRANULOMETRICO
PROYECTO: REHABILITACION PRESA EL CHAPUCAL
MATERIAL A Descripción
Limo arenoso
PERFORACIÓN:
CALICATA Nº
Limo Arenoso
Desing. del Tamiz US A
Peso Retenido
gr,
B
%
Retenido
C
% Retenido
Acumulado
D
% Pasante
Acumulado
N Pulgadas Milímetros
TA
MIZ
AD
O
US
AN
DO
EL
P.T
.M. PIEDRA O
CANTOS 4
0 0.00 0.00 100.00
GR
AV
A
GR
UE
SA
1 1/2 1.500 38.100 0.00 0.00 0.00 100.00
FIN
A
1/2 0.500 12.700 0.00 0.00 0.00 100.00
3/8 0.375 9.525 0.00 0.00 0.00 100.00
1/4 0.250 6.350 0.00 0.00 0.00 100.00
Nº 4 0.187 4.760 12.60 3.52 3.52 96.48
TA
MIZ
AD
O C
ON
FR
AC
CIÓ
N
ME
NO
R Q
' P.T
.M.
AR
EN
A
GR
UE
SA
Nº 10 0.079 2.000 0.00 0.00 3.52 96.48
ME
DI
A Nº 16
1.180 0.00 0.00 3.52 96.48
Nº 30 0.600 0.00 0.00 3.52 96.48
FIN
A Nº 50
0.00 0.00 3.52 96.48
Nº 100 0.006 0.149 0.00 0.00 3.52 96.48
Nº 200 0.003 0.074 287.66 80.41 83.93 16.07
fondo 57.5 16.07 100.00 0.00
TOTAL 357.76 100.00
CU
D60/D10 CU 1.6
CC
(D30^2)/(D60XD10) CC 0.007
IR 5
0102030405060708090
100110
0,0100,1001,00010,000100,000
% Q
UE
PA
SA
TAMAÑO PARTICULAS MILIMETROS
65
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS Y FISICAS
ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
LIMITES DE ATTERBERG
PROYECTO: REHABILITACION PRESA EL CHAPUCAL
MATERIAL A Descripción Limo arenoso
PERFORACIÓN:
LIMITE LIQUIDO LIMITE PLASTICO
Nº DE CAIDAS 11 21 30 38
Nº DE CAPSULA 22 4 8 1 14 19 8
WTh , gr 32 29.2 30.5 30.6 15.7 16.9 16
WTs , gr 29.4 27.7 29.3 30.2 15.4 16.6 15.7
W CAPSULA 16.4 15.7 15.8 16.3 6.3 6.7 6.4
W ω 2.6 1.5 1.2 0.40 0.3 0.3 0.3
W SECO , gr 13 12 13.5 13.9 9.1 9.9 9.3
ω , (%) 20.00 12.50 8.89 2.88 3.30 3.03 3.23
LL: 10.0 LP: 3.18 Ll = A*Ln(x)+B
IP: 6.8 A= 0.935
TIPO DE SUELO: B= 48.263
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
10 100
HU
ME
DA
D (
%)
Nº DE GOLPES
LÍMITE LÍQUIDO
25
66
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ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
PRUEBA PROCTOR
PROYECTO: REHABILITACION PRESA EL CHAPUCAL
MATERIAL
A Descripción
LIMO ARENOSO
CALICATA N.1
Vol Cilindro 0.000944 m3
Peso Cilindro 4310 g
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
PESO TIERRA HUMEDA
+RECIPIENTE gr.
PESO TIERRA SECA
+RECIPIENTE gr.
PESO DE RECIPIENTE
gr.
PESO DE AGUA gr.
PESO SECO gr.
w %
PESO TIERRA
HUMEDA + CILINDRO
PESO TIERRA
HUMEDA W kg.
1+ (W/100)
PESO TIERRA SECA Ws kg.
DENSIDAD SECA kg/m3
EN 19 347.4 339.6 31.4 7.8 308.2 2.53 5830 1520 1.025 1482.48 1570.42
90 MK 226.3 213.6 23.2 12.7 190.4 6.67 6001 1691 1.067 1585.26 1679.30
180 9 225.7 204.9 22.6 20.8 182.3 11.41 6127 1817 1.114 1630.92 1727.67
270 7 254.7 222.7 22.4 32 200.3 15.98 6170 1860 1.160 1603.78 1698.92
360 H 371.5 312 22.5 59.5 289.5 20.55 6015 1705 1.206 1414.32 1498.22
Contenido Optimo de Humedad
14.94
Densidad Seca Máxima
1728 kg/m3
1480
1520
1560
1600
1640
1680
1720
1760
0 5 10 15 20 25
De
nsi
dad
Kg/
m3
Contenido Humedad %
PRUEBA PROCTOR ESTANDAR MATERIAL A
67
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ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
ENSAYO CORTE DIRECTO
PROYECTO: REHABILITACION PRESA EL CHAPUCAL
MATERIAL A Descripción LIMO ARENOSO
CALICATA N.1
Área Cilindro Cm ² 31.669
Desplazamiento Horizontal 0,001"
Carga V (kg)= 16
δT (kg/cm²)
Carga V (kg)= 32
δT (kg/cm²)
Carga V (kg)= 64
δT (kg/cm²) Carga T Carga T Carga T
0,0001"
0.1404
0,0001"
0.1404
0,0001"
0.1404
kg kg kg
0.010 0.0011 1.54 0.049 0.002 2.81 0.089 0.0024 3.37 0.106
0.020 0.0018 2.53 0.080 0.0028 3.93 0.124 0.0039 5.48 0.173
0.030 0.0021 2.95 0.093 0.0036 5.05 0.160 0.005 7.02 0.222
0.040 0.0028 3.93 0.124 0.004 5.62 0.177 0.0059 8.28 0.262
0.050 0.003 4.21 0.133 0.0045 6.32 0.200 0.0067 9.41 0.297
0.060 0.0029 4.07 0.129 0.0047 6.60 0.208 0.0072 10.11 0.319
0.070 0.0027 3.79 0.120 0.0048 6.74 0.213 0.0074 10.39 0.328
0.080 0.0025 3.51 0.111 0.0049 6.88 0.217 0.0076 10.67 0.337
0.090 0.00 0.000 0.005 7.02 0.222 0.0078 10.95 0.346
δV (kg/cm²)
δT (kg/cm²)
0.505 0.1330
1.010 0.2217
2.021 0.3458
M b Coef. Lineal 0.138 0.071 Pendiente 0.138
C 0.07 kg/cm² Ø 7.85 º
y = 0,1379x + 0,0709 R² = 0,9912
0
0,5
1
1,5
2
0 0,5 1 1,5 2 2,5
δT
(kg
/cm
²)
δV (kg/cm²)
GRAFICO ENSAYO CORTE DIRECTO
68
3.4.2 Material B. Arcilla sedimentaria de alta plasticidad.
De acuerdo a la clasificación del sistema unificado de suelos (SUCS) el material
analizado corresponde a Limos arenosos Tipo CH.
Limite Liquido: 65
Índice de Plasticidad: 44,9
Densidad máxima Ensayo Proctor Estándar γ = 1480 kg/cm
69
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS Y FISICAS
ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
LIMITES DE ATTERBERG
PROYECTO: REHABILITACION PRESA EL CHAPUCAL
MATERIAL B Descripción ARCILLA
CALICATA N. 1
LIMITE LIQUIDO LIMITE PLASTICO
Nº DE CAIDAS 15 24 32 40
Nº DE CAPSULA RE 63 20 M X 10 Z
WTh , gr 25.9 24.4 24.6 25 13.5 14.2 13.9
WTs , gr 19.6 19 19.8 20.3 12.5 13.3 12.6
W CAPSULA 11.4 11.1 11.6 11.2 7.9 8.1 6.5
W ω 6.3 5.4 4.8 4.70 1 0.9 1.3
W SECO , gr 8.2 7.9 8.2 9.1 4.6 5.2 6.1
ω , (%) 76.83 68.35 58.54 51.65 21.74 17.31 21.31
LL: 65.0 LP: 20.12 Ll = A*Ln(x)+B
IP: 44.9 A= 0.984
TIPO DE SUELO:
B= 98.932
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
90,00
10 100
HU
ME
DA
D (
%)
Nº DE GOLPES
LÍMITE LÍQUIDO
70
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS Y FISICAS
ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
PRUEBA PROCTOR
PROYECTO: REHABILITACION PRESA EL CHAPUCAL
MATERIAL
B Descripción ARCILLA
CALICATA N.1
Vol Cilindro 0.000944 m3
Peso Cilindro 4310 G
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
PESO TIERRA HUMEDA
+RECIPIENTE gr.
PESO TIERRA SECA
+RECIPIENTE gr.
PESO DE RECIPIENTE
gr.
PESO DE AGUA gr.
PESO SECO
gr. w %
PESO TIERRA
HUMEDA + CILINDRO
PESO TIERRA
HUMEDA W kg.
1+ (W/100) PESO TIERRA SECA Ws kg.
DENSIDAD SECA kg/m3
EN PT 269.5 247.1 29.8 22.4 217.3 10.31 5605 1295 1.103 1173.98 1243.63
90 7 195.7 171.8 21.1 23.9 150.7 15.86 5762 1452 1.159 1253.24 1327.59
180 27 251.2 213.6 21.8 37.6 191.8 19.60 5953 1643 1.196 1373.70 1455.19
270 50 275.4 229.3 30.3 46.1 199 23.17 6020 1710 1.232 1388.37 1470.73
360 A 354.8 278.1 22.4 76.7 255.7 30.00 5880 1570 1.300 1207.73 1279.37
Humedad
22%
Densidad Seca Máxima
1480 kg/m3
1200
1240
1280
1320
1360
1400
1440
1480
1520
0 10 20 30 40
De
nsi
dad
Kg/
m3
Contenido Humedad %
PRUEBA PROCTOR ESTANDAR MATERIAL B
71
3.4.3 Material C (Compuesto por 70 % de Material A + 30 % de
material B).
De acuerdo a la clasificación del sistema unificado de suelos (SUCS) el material
analizado corresponde a Limos arenosos Tipo CL.
Limite Liquido : 24,2
Índice de Plasticidad: 12,8
Densidad máxima Ensayo Proctor Estándar: γ = 1740 kg/m2
C = 0,07 kg/cm2
Ø = 18,92 º
72
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS Y FISICAS
ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
LIMITES DE ATTERBERG
PROYECTO: REHABILITACION PRESA EL CHAPUCAL
MATERIAL C Descripción MEZCLA 70 % LIMO 30% ARCILLA
CALICATA N. 1
LIMITE LIQUIDO LIMITE PLASTICO
Nº DE CAIDAS 13 22 31 40
Nº DE CAPSULA D X 3 A6 25 16 U
WTh , gr 27.4 28.1 27 26.1 12 12.9 12.6
WTs , gr 23.6 24.5 24.2 24.1 11.4 12.3 12
W CAPSULA 11.7 11.6 11.1 11.2 6.5 6.7 6.7
W ω 3.8 3.6 2.8 2.00 0.6 0.6 0.6
W SECO , gr 11.9 12.9 13.1 12.9 4.9 5.6 5.3
ω , (%) 31.93 27.91 21.37 15.50 12.24 10.71 11.32
LL: 24.2 LP: 11.43 Ll = A*Ln(x)+B
IP: 12.8 A= 0.973
TIPO DE SUELO:
B= 47.738
0
5
10
15
20
25
30
35
10 100
HU
ME
DA
D (
%)
Nº DE GOLPES
LÍMITE LÍQUIDO
73
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS Y FISICAS
ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
PRUEBA PROCTOR
PROYECTO: REHABILITACION PRESA EL CHAPUCAL
MATERIAL
C Descripción MEZCLA 70 % LIMO 30% ARCILLA
CALICATA N.1
Vol Cilindro 0.000944 m3
Peso Cilindro 4310 g
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
PESO TIERRA HUMEDA
+RECIPIENTE gr.
PESO TIERRA SECA
+RECIPIENTE gr.
PESO DE RECIPIENTE
gr.
PESO DE AGUA gr.
PESO SECO gr.
w %
PESO TIERRA
HUMEDA + CILINDRO
PESO TIERRA
HUMEDA W kg.
1+ (W/100) PESO TIERRA SECA Ws kg.
DENSIDAD SECA kg/m3
EN 9 361.7 346.9 29.9 14.8 317 4.67 5895 1585 1.047 1514.30 1604.13
100 Q 193.3 179.9 30.1 13.4 149.8 8.95 6037 1727 1.089 1585.20 1679.24
200 D 235 208.4 30.3 26.6 178.1 14.94 6198 1888 1.149 1642.66 1740.11
300 3 258.9 221 27.9 37.9 193.1 19.63 6171 1861 1.196 1555.67 1647.95
Humedad
15%
Densidad Seca Maxima
1740 kg/m3
1560
1600
1640
1680
1720
1760
0 5 10 15 20 25
De
nsi
dad
Kg/
m3
Contenido Humedad %
PRUEBA PROCTOR ESTANDAR MATERIAL C
74
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS Y FISICAS
ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
ENSAYO CORTE DIRECTO
PROYECTO: REHABILITACION PRESA EL CHAPUCAL
MATERIAL C Descripción MEZCLA 70 % LIMO 30% ARCILLA
CALICATA N.1
Área Cilindro Cm ² 31.669
Desplazamiento Horizontal 0,001"
Carga V (kg)= 16
δT (kg/cm²)
Carga V (kg)= 32
δT (kg/cm²)
Carga V (kg)= 64
δT (kg/cm²)
Carga T Carga T Carga T
0,0001"
0.1404
0,0001"
0.1404
0,0001"
0.1404
kg kg kg
0.010 0.002 2.81 0.089 0.0041 5.76 0.182 0.0022 3.09 0.098
0.040 0.0027 3.79 0.120 0.0058 8.14 0.257 0.0034 4.77 0.151
0.070 0.0032 4.49 0.142 0.0066 9.27 0.293 0.0045 6.32 0.200
0.090 0.0039 5.48 0.173 0.0071 9.97 0.315 0.0074 10.39 0.328
0.120 0.0047 6.60 0.208 0.0077 10.81 0.341 0.0101 14.18 0.448
0.150 0.0052 7.30 0.231 0.0083 11.65 0.368 0.0117 16.43 0.519
0.190 0.0055 7.72 0.244 0.0086 12.07 0.381 0.0129 18.11 0.572
0.210 0.005 7.02 0.222 0.009 12.64 0.399 0.0141 19.80 0.625
0.230 0.0042 5.90 0.186 0.0092 12.92 0.408 0.016 22.46 0.709
0.260 0.0037 5.19 0.164 0.0093 13.06 0.412 0.0172 24.15 0.763
δV (kg/cm²)
δT (kg/cm²)
0.505 0.2438
1.010 0.4123
2.021 0.7625
m b
Coef. Lineal 0.343 0.069
Pendiente 0.343
C 0.07 kg/cm²
Ø 18.92 º
y = 0,3429x + 0,0687 R² = 0,9999
0
0,5
1
1,5
2
0 0,5 1 1,5 2 2,5
δT
(kg
/cm
²)
δV (kg/cm²)
GRAFICO ENSAYO CORTE DIRECTO
75
3.4.4 Material D (Compuesto por 50 % de Material A + 50 % de
material B).
De acuerdo a la clasificación del sistema unificado de suelos (SUCS) el material
analizado corresponde a Limos arenosos Tipo CL.
Limite Liquido : 21,9
Índice de Plasticidad: 11,3
Densidad máxima Ensayo Proctor Estándar: γ = 1651 kg/m2
C = 0,42 kg/cm2
Ø = 12,30 º
76
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS Y FISICAS
ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
LIMITES DE ATTERBERG
PROYECTO: REHABILITACION PRESA EL CHAPUCAL
MATERIAL D Descripción MEZCLA 50 % LIMO 50% ARCILLA
CALICATA N. 1
LIMITE LIQUIDO LIMITE PLASTICO
Nº DE CAIDAS 10 20 29 38
Nº DE CAPSULA 3 14 262 RA 30 32 4
WTh , gr 25.2 26.5 27.1 27.6 12.3 11.6 11.7
WTs , gr 22 23.5 24.5 25.4 11.8 11.1 11.2
W CAPSULA 11.89 11.6 11.5 11.9 6.5 6.7 6.7
W ω 3.2 3 2.6 2.20 0.5 0.5 0.5
W SECO , gr 10.11 11.9 13 13.5 5.3 4.4 4.5
ω , (%) 31.65 25.21 20.00 16.30 9.43 11.36 11.11
LL: 21.9 LP: 10.64 Ll = A*Ln(x)+B
IP: 11.3 A= 0.976
TIPO DE SUELO:
B= 40.313
0
5
10
15
20
25
30
35
10 100
HU
ME
DA
D (
%)
Nº DE GOLPES
LÍMITE LÍQUIDO
77
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS Y FISICAS
ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
PRUEBA PROCTOR
PROYECTO: REHABILITACION PRESA EL CHAPUCAL
MATERIAL
D Descripcion MEZCLA 50 % LIMO 50% ARCILLA
CALICATA N.1
Vol Cilindro 0.000944 m3
Peso Cilindro 4310 g
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
PESO TIERRA HUMEDA
+RECIPIENTE gr.
PESO TIERRA SECA
+RECIPIENTE gr.
PESO DE RECIPIENTE
gr.
PESO DE AGUA gr.
PESO SECO gr.
w %
PESO TIERRA
HUMEDA + CILINDRO
PESO TIERRA
HUMEDA W kg.
1+ (W/100) PESO TIERRA SECA Ws kg.
DENSIDAD SECA kg/m3
HN A 222.5 212.4 22.4 10.1 190 5.32 5815 1505 1.053 1429.04 1513.81
90 8 217.4 198.9 21.8 18.5 177.1 10.45 5939 1629 1.104 1474.93 1562.42
180 9 171.4 151.1 22.6 20.3 128.5 15.80 6096 1786 1.158 1542.35 1633.84
270 7 178.9 154 22.4 24.9 131.6 18.92 6163 1853 1.189 1558.18 1650.61
360 5 268.1 222 30.3 46.1 191.7 24.05 6230 1920 1.240 1547.79 1639.61
Humedad
19%
Densidad Seca Máxima
1650 kg/m3
1480
1520
1560
1600
1640
1680
0 10 20 30
De
nsi
dad
Kg/
m3
Contenido Humedad %
PRUEBA PROCTOR ESTANDAR MATERIAL D
78
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS Y FISICAS
ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
ENSAYO CORTE DIRECTO
PROYECTO: REHABILITACION PRESA EL CHAPUCAL
MATERIAL D Descripción MEZCLA 50 % LIMO 50% ARCILLA
CALICATA N.1
Área Cilindro Cm ² 31.669
Desplazamiento Horizontal
0,001"
Carga V (kg)= 16
δT (kg/cm²)
Carga V (kg)= 32
δT (kg/cm²)
Carga V (kg)= 64
δT (kg/cm²)
Carga T Carga T Carga T
0,0001"
0.1404
0,0001"
0.1404
0,0001"
0.1404
kg kg kg
0.010 0.007 9.83 0.310 0.0049 6.88 0.217 0.0046 6.46 0.204
0.020 0.0105 14.74 0.466 0.0084 11.79 0.372 0.0069 9.69 0.306
0.030 0.0108 15.16 0.479 0.0106 14.88 0.470 0.0076 10.67 0.337
0.040 0.012 16.85 0.532 0.0127 17.83 0.563 0.0098 13.76 0.434
0.050 0.008 11.23 0.355 0.014 19.66 0.621 0.0127 17.83 0.563
0.060 0.0054 7.58 0.239 0.0142 19.94 0.630 0.015 21.06 0.665
0.070 0.0043 6.04 0.191 0.0132 18.53 0.585 0.0171 24.01 0.758
0.011 15.44 0.488 0.0188 26.40 0.833
0.0194 27.24 0.860
0.0194 27.24 0.860
0.0176
δV (kg/cm²)
δT (kg/cm²)
0.0155
0.505 0.5320
1.010 0.6295
2.021 0.8601
M b Coef. Lineal 0.218 0.417 Pendiente 0.218
C 0.42 kg/cm² Ø 12.30 º
y = 0,2181x + 0,4167 R² = 0,9984
0
0,5
1
1,5
2
0 0,5 1 1,5 2 2,5
δT
(kg
/cm
²)
δV (kg/cm²)
GRAFICO ENSAYO CORTE DIRECTO
79
3.4.5 Material E (Compuesto por 30 % de Material A + 70 % de
material B).
De acuerdo a la clasificación del sistema unificado de suelos (SUCS) el material
analizado corresponde a Limos arenosos Tipo CL.
Limite Liquido : 32,4
Índice de Plasticidad: 18,1
Densidad máxima Ensayo Proctor Estándar: γ = 1620 kg/m2
C = 0,57 kg/cm2
Ø = 13,12 º
80
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS Y FISICAS
ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
LIMITES DE ATTERBERG
PROYECTO: REHABILITACION PRESA EL CHAPUCAL
MATERIAL E Descripción MEZCLA 30 % LIMO 70% ARCILLA
CALICATA N. 1
LIMITE LIQUIDO LIMITE PLASTICO
Nº DE CAIDAS 12 20 30 40
Nº DE CAPSULA 16 U R 6MO 25 11 27
WTh , gr 27.4 26.3 25 24.4 13.8 14 14.3
WTs , gr 23.4 22.6 21.7 21.3 13 13.3 13.5
W CAPSULA 11.3 11.3 11.3 11.62 7.9 7.9 7.9
W ω 4 3.7 3.3 3.10 0.8 0.7 0.8
W SECO , gr 12.1 11.3 10.4 9.68 5.1 5.4 5.6
ω , (%) 33.06 32.74 31.73 32.02 15.69 12.96 14.29
LL: 32.4 LP: 14.31 Ll = A*Ln(x)+B
IP: 18.1 A= 0.999
TIPO DE SUELO:
B= 33.508
30
31
31
32
32
33
33
34
34
35
35
10 100
HU
ME
DA
D (
%)
Nº DE GOLPES
LÍMITE LÍQUIDO
81
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS Y FISICAS
ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
PRUEBA PROCTOR
PROYECTO: REHABILITACION PRESA EL CHAPUCAL
MATERIAL
E Descripción MEZCLA 30 % LIMO 70% ARCILLA
CALICATA N.1
Vol Cilindro 0.000944 m3
Peso Cilindro 4310 g
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
PESO TIERRA HUMEDA
+RECIPIENTE gr.
PESO TIERRA SECA
+RECIPIENTE gr.
PESO DE RECIPIENTE
gr.
PESO DE AGUA gr.
PESO SECO gr.
w %
PESO TIERRA
HUMEDA + CILINDRO
PESO TIERRA
HUMEDA W kg.
1+ (W/100) PESO TIERRA SECA Ws kg.
DENSIDAD SECA kg/m3
HN M 282 267.7 30.3 14.3 237.4 6.02 5748 1438 1.060 1356.30 1436.76
90 MP 215.1 196.6 29.4 18.5 167.2 11.06 5897 1587 1.111 1428.90 1513.66
180 M 217.6 192.9 28 24.7 164.9 14.98 6059 1749 1.150 1521.15 1611.39
270 AC 214 181.2 28.9 32.8 152.3 21.54 6139 1829 1.215 1504.90 1594.17
360 8 266 218 31 48 187 25.67 6030 1720 1.257 1368.68 1449.87
Humedad
18%
Densidad Seca Máxima
1620 kg/m3
1400
1440
1480
1520
1560
1600
1640
0 10 20 30
De
nsi
dad
Kg/
m3
Contenido Humedad %
PRUEBA PROCTOR ESTANDAR MATERIAL E
82
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS Y FISICAS
ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
ENSAYO CORTE DIRECTO
PROYECTO: REHABILITACION PRESA EL CHAPUCAL
MATERIAL E Descripción MEZCLA 30 % LIMO 70% ARCILLA
CALICATA N.1
Area Cilindro Cm ² 31.669
Desplazamiento Horizontal
0,001"
Carga V (kg)= 16
δT (kg/cm²)
Carga V (kg)= 32
δT (kg/cm²)
Carga V (kg)= 64
δT (kg/cm²)
Carga T Carga T Carga T
0,0001"
0.1404
0,0001"
0.1404
0,0001"
0.1404
kg kg kg
0.010 0.004 5.62 0.177 0.0125 17.55 0.554 0.007 9.83 0.310
0.020 0.013 18.25 0.576 0.0084 11.79 0.372 0.013 18.25 0.576
0.030 0.0145 20.36 0.643 0.0164 23.03 0.727 0.018 25.27 0.798
0.040 0.0117 16.43 0.519 0.0189 26.54 0.838 0.021 29.48 0.931
0.050 0.009 12.64 0.399 0.0198 27.80 0.878 0.0228 32.01 1.011
0.060 0.0069 9.69 0.306 0.0142 19.94 0.630 0.015 21.06 0.665
0.070 0.0195 27.38 0.865 0.023 32.29 1.020
0.080 0.0181 25.41 0.802 0.0222 31.17 0.984
0.090 0.0203 28.50 0.900
0.0176
δV (kg/cm²)
δT (kg/cm²)
0.0155
0.505 0.6428
1.010 0.8778
2.021 1.0197
M b Coef. Lineal 0.233 0.572 Pendiente 0.233
C 0.57 kg/cm² Ø 13.12 º
y = 0,2332x + 0,5719 R² = 0,8939
0
0,5
1
1,5
2
0 0,5 1 1,5 2 2,5
δT
(kg
/cm
²)
δV (kg/cm²)
GRAFICO ENSAYO CORTE DIRECTO
83
3.4.6 Material F (Arenas).
El material F por tratarse de arenas que se utilizaran en la construcción del Dren y
Filtros solo se realizó el ensayo de granulometría
D10: 0,1 mm
D30: 0,6 mm
D60: 2,7 mm
CU: 27
CC: 0,097
El resultado de los ensayos de laboratorio realizados se resume en el siguiente
cuadro donde se presentan los parámetros geotécnicos de los materiales
ensayados.
84
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS Y FISICAS
ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
ENSAYO GRANULOMETRICO
PROYECTO: REHABILITACION PRESA EL CHAPUCAL
MATERIAL F
PROGRESIVA:
PERFORACIÓN:
CALICATA
Nº
ARENA
Nº LABORATORIO:
Desing. del Tamiz US A Peso Retenido
gr,
B %
Retenido
C % Retenido Acumulado
D % Pasante Acumulado
N Pulgadas Milimetros
TA
MIZ
AD
O U
SA
ND
O E
L P
.T.M
.
PIEDRA O CANTOS
4
0 0.00 0.00 100.00
3 3.000 76.200 0.00 0.00 0.00 100.00
GR
AV
A
GR
UE
SA
2 1/2 2.500 63.500 0.00 0.00 0.00 100.00
1 1.000 25.400 103.90 2.84 2.84 97.16
3/4 0.750 19.050 91.60 2.50 5.34 94.66
FIN
A 1/2 0.500 12.700 139.00 3.80 9.13 90.87
3/8 0.375 9.525 126.80 3.46 12.60 87.40
Nº 4 0.187 4.760 371.70 10.15 22.75 77.25
TA
MIZ
AD
O C
ON
F
RA
CC
IÓN
ME
NO
R Q
'
P.T
.M.
AR
ENA
GR
UE
SA
Nº 8
2.360 728.60 19.90 42.65 57.35
ME
DIA
Nº 16
1.180 610.80 16.68 59.33 40.67
Nº 30 0.600 382.10 10.43 69.76 30.24
FIN
A Nº 50
496.10 13.55 83.31 16.69
Nº 100 0.006 0.149 144.70 3.95 87.26 12.74
Nº 200 0.003 0.074 158.40 4.33 91.59 8.41
P Nº 200 308.1 8.41 100.00 0.00
TOTAL 3661.8 100.00
CU D60/D10 CU 27
CC (D30^2)/(D60XD10) CC 0.097
0102030405060708090
100110
0,0100,1001,00010,000100,000
% Q
UE
PA
SA
TAMAÑO PARTICULAS MILIMETROS
Series1
85
Tabla 4 Resumen Parámetros geotécnicos de los materiales estudiados
Material A B C D E
Parámetro
Limo
Arenoso
Arcilla
Gris
Mezcla
70% A
+ 30 %
B
Mezcla
50% A +
50 % B
Mezcla
30% A +
70 % B
LL 10 65 24,2 21,9 32,4
IP 6,8 44,9 12,8 11,3 18,1
ɣs 1728 1480 1740 1651 1620
C 0,07 - 0,07 0,42 0,57
Ø 8,03 - 18,92 12,30 13,12
Elaboración: C. Garzón
Fuente: (DAS, 2010)
Ilustración 24 Ubicación de puntos correspondientes a los materiales ensayados con relación a la Línea A
Fuente: (DAS, 2010)
CL-ML
CL
CH
ML OL
MH OH
0
10
20
30
40
50
60
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
IND
ICE
DE
PLA
STIC
IDA
D I
P
LIMITE LIQUIDO WL%
LINEA A
A (Limo Arenoso)
B (Arcilla Alta Plasticidad)
C (70 % Limo arenoso + 30 %Arcilla AP)
D (50 % Limo arenoso + 50 %Arcilla AP)
E (30 % Limo arenoso + 70 %Arcilla AP)
86
3.5 Trabajo de Oficina
Después de realizarse los ensayos con las muestras de campo, con los planos
geológicos, topográficos y la información, se elaboró el pre diseño de la presa
basado en los criterios de selección del tipo de presa.
3.6 Materiales de construcción, propiedades geotécnicas y fuentes
Para el estudio de los posibles materiales que se utilizan en la elaboración del
proyecto, se determinaron las cantidades en relación a aproximaciones de planos
topográficos, en el reconocimiento del sitio, las propiedades de los materiales y las
facilidades de acceso al sitio.
3.6.1 Materiales para construcción de terraplén.
Al desarrollarse un pre diseño de una presa de tierra de tipo homogéneo, el
material debe ser de baja permeabilidad constituida por arcillas o limos y mezclas de
otros materiales tales como arenas y gravas a la cual deberá también se le suma un
contenido elevado de finos.
Los parámetros geotécnicos en los que se baso la selección del material para la
el pre diseño de la presa son los siguientes:
Densidad Máxima Proctor estándar superior a 1600 kg/cm2 de acuerdo a
ensayo AASHTO T-180
Limite liquido: > 25 %
87
Índice de Plasticidad > 15% (Sobre Línea A – Casagrande).
Permeabilidad del material compactado < 1x10- 6
Cohesión del material compactado en presiones totales mayor a 0,5 T/m².
Contenido de sulfatos inferior al 2 %.
Angulo de fricción interna : 12,3 º
3.6.2 Materiales para filtros.
Los materiales para la construcción de filtros estarán compuestos por agregados
durables y resistentes deben de ser de preferencias orgánicos.
La selección de los materiales para la construcción de filtros se realizara de
acuerdo al criterio expuesto en el Tratado Básico de Presas los mismos que
deberán cumplir los siguientes parámetros Geotécnicos:
Material Base: Arcillas o limos arenosos y arenas arcillosas o limosas, son suelos
con un 40 a un 85 % más fino que el tamiz 200.
Permeabilidad mayor a 10ˉ³ cm/seg.
Contenido de materia orgánica menor a 0,10% de acuerdo a la norma
ASTM
Los materiales serán de tipo no cohesivo, contenido pasante del tamiz #
200 menor al 5 %.
D10: 0,075 mm
D15 0,08 ≤ 0,7 mm
D30: 0,9 mm
D40: < 4,76 mm
88
D60: 0,12 mm
D85: 0,14 mm
CU: 1,6
CC: 0,007
Ir : 5
3.6.3 Materiales para construcción de Drenes .
Los materiales propuestos para la construcción de drenes estarán compuestos
por agregados durables y resistentes de forma plana y de tipo orgánico.
La selección de los materiales para la construcción de filtros se realizara de
acuerdo al criterio expuesto en el Tratado Básico de Presas los mismos que
deberán cumplir los siguientes parámetros Geotécnicos:
Permeabilidad mayor a 10ˉ³ cm/seg.
Contenido de materia orgánica menor a 0,10% de acuerdo a la norma
ASTM
Los materiales serán de tipo no cohesivo, contenido pasante del tamiz #
200 menor al 5 %.
D10: 0,1 mm
D30: 0,6 mm
D60: 2,7 mm
CU: 27
CC: 0,097
89
CAPITULO V
CRITERIOS DE DISEÑO
4.1 Selección del tipo de presa
Al ser estudiada las condiciones del sitio del proyecto también es importante
considerar que los materiales existentes se encuentren dentro de la zona del
proyecto para evitar costos altos y demoras para la conclusión del proyecto.
4.2 Bases para el proyecto
El principal objetivo en el diseño de presas de tierra es la construcción del
proyecto de manera más funcional y logrando una máxima optimización de
recursos, proyectando costos de mantenimiento tanto de las protecciones en los
taludes como obras terminales, esta presa tiene con fin ser creada para la máxima
utilización de los materiales más económicos inclusive aquellos que deban
excavarse para la construcción de la cimentación y todo lo que en ello conlleva.
De acuerdo al US Bureau Reclamation, el terraplén en presas pequeñas debe
cumplir los siguientes requisitos:
Seguridad contra el desborde causado por las avenidas, debe de tener
capacidad suficiente de desagüe en caso de presentarse un evento
hidrológico importante.
Estabilidad de los taludes durante la construcción y en todas las condiciones
de llenado del embalse.
90
El terraplén no debe producir esfuerzos excesivos sobre la cimentación.
Se debe busca proyectar un control de filtraciones a través del terraplén, para
evitar daños causados por “tubificacion” y falla hidráulica.
El terraplén debe tener un borde libre suficiente para evitar ser sobrepasado
por el oleaje. De igual manera lo taludes deben de ser protegidos contra la
erosión que es causada por factores naturales.
4.3 Pre diseño y Características Morfo métricas del tipo de presa
seleccionado
El pre dimensionamiento se realizó basado en la información del levantamiento
topográfico del sitio del cual se obtuvieron las dimensiones del cauce del rio tanto
cota del fondo del cauce como cota del punto de coronación de acuerdo a la forma
encajonada del cauce.
De la corona: 50 m.s.n.m.
Del desplante de la cimentación: 36.00 m.s.n.m.
Del fondo del cauce: 37.50 m.s.n.m. (Rio Juan Montalvo)
Para el cálculo del ancho mínimo de la corona se utilizó la formula sugerida por
el US Bureau Reclamation en el libro Diseño de presas pequeñas
w = (z/5) +10
w = Ancho de la corona en pies
z = Altura de la presa en pies sobre el punto más bajo del cauce.
91
Para el presente estudio:
z = 12 m. (39,37 ft)
w = 5,44 m. (17,87 ft)
Por lo que se define como ancho de corona la dimensión 6 metros.
4.4 Pre dimensionamiento de Taludes
Los taludes recomendados por el US Bureau Reclamation para el caso de
presas homogéneas modificadas estas deben de ser construidas sobre
cimentaciones estables de acuerdo al uso, posibilidad de desembalse rápido y la
clasificación de los suelos que la constituyen se presentan en la siguiente tabla.
Tabla 5 Taludes Recomendados Para Las Presas De Tierra Homogéneas Sobre Cimentaciones Estables
Caso Tipo Propósito
Sujeta a
Desembalse
Rápido
Clasificación
de suelos
Talud
aguas
arriba
Talud
aguas
abajo
A
Homogénea
u
Homogénea
Modificada
Regulación o
almacenamiento No
GW,
GP,SW,SP
Permeable, no
adecuado
GC,GM,SC,SM 2 ½ : 1 2 : 1
CL,ML 2:1 2 ½ : 1
CH,MH 3 ½ : 1 2 ½ : 1
B
Homogénea
u
Homogénea
Modificada
Almacenamiento Si
GW,
GP,SW,SP
Permeable, no
adecuado
GC,GM,SC,SM 3:1 2 : 1
CL,ML 3 ½ : 1 2 ½ : 1
CH,MH 4 : 1 2 ½ : 1
Fuente: Libro Diseño de Presas Pequeñas, US Bureau Reclamation
Elaboración: C. Garzón
92
Sin embargo los taludes pueden ser pre-dimensionados de acuerdo a los
parámetros geotécnicos del material seleccionado para la construcción, el método
descrito en el “Tratado Básico de presas” consiste en asumir un coeficiente de
seguridad F para realizar varios tanteos variando el ángulo del talud de tal manera
que se cumpla el coeficiente de seguridad seleccionado. (MARIN, 2010)
En el presente estudio al tratarse del pre diseño de una presa de tierra se
asume existe presión intersticial dentro del material.
F
Talud Presa = x (Talud natural)
1-(ɣa/ɣ)
Parámetros Geotécnicos
ɣs 1651 kg/m3
C 0,50 kg/Cm2
Ø 13.0 º
ɣa 1000 kg/m3
Calculo de talud para diferentes factores de seguridad
Tabla 6 Pre dimensionamiento de Talud Presa El Chapucal
FS 3 4 4.5 5 5.5
Talud 1.8 2.3 2.6 2.9 3.2
α v 60.35 66.88 69.22 71.14 72.75
V 14.00 14.00 14.00 14.00 14.00
H 24.59 32.79 35.00 40.99 45.08
Elaboración C. Garzón.
93
Para el caso de estudio se escogió el factor de seguridad 4,5, dando como
resultado una relación de talud 2.5 por lo que se decide realizar el pre diseño del
talud con una relación H: 2.5 V:1 tanto para el talud aguas arriba como para aguas
abajo.
Una vez determinados el ancho de la corona, alturas y taludes se definieron las
siguientes dimensiones para el proyecto
Altura: 14,00 m
Longitud: 88.50 m
Ancho de la corona: 6 m.
Ancho de la base: 76 m.
De acuerdo al estudio realizado por Camacho F. & Palma R, la cota del Nivel de
Aguas Máximas Ordinarias NAMO y Nivel de Aguas Máximas Extraordinarias
NAME son:
Cota NAMO: 47,60 msnm.
Cota NAME: 49,00 msnm.
Cota De Corona: 50,00 msnm.
Cota De Cimentación: 36,00 msnm.
94
Ilustración 25 Presa El Chapucal. Esquema de la sección transversal.
Fuente: (DAS, 2010)
4.5 Pre dimensionamiento de los Drenes y Filtros
Para el pre dimensionamiento del dren chimenea se siguieron las
recomendaciones descritas en la Nota Técnica N 4, Consideraciones para el Diseño
y construcción de filtro/dren chimenea publicada por el Programa de seguridad de
presas publicado por el Departamento de Recursos Naturales del estado de
Montana , Diciembre del 2010. Donde se recomienda un espesor mínimo de 5’
(1,52 m.) para el dren chimenea inclinado y 1’ (0,30) para drenes horizontales.
En relación a los filtros, el Tratado básico de presas indica que lo más
aconsejable para el trabajo de compactación es emplear un espesor mínimo.
Para el presente proyecto se dimensionara 1,50 para espesor de dren chimenea
inclinado con una relación H: 1: V: 4. Mientras que el dren horizontal se
dimensionara con un espesor de 1,00 m.
95
Ilustración 26 Presa El Chapucal. Esquema pre dimensionamiento de Filtro y Dren.
4.6 Pre dimensionamiento Desagüe de Fondo y Obra de Toma
Se propone una tubería de 500 mm de 80 metros de longitud esta será instalada
con collares de corte de flujo de 0,2 m de espesor construidos en hormigón armado
distanciados 10 metros.
Se propone instalar una sola válvula para el cierre del conducto.
Ilustración 27 Presa El Chapucal. Esquema Ubicación del Desagüe de Fondo.
Fuente: (GEO-SLOPE, 2008)
4.7 Proyecto de la Cimentación
Para la cimentación de las presas se toman los siguientes factores la forma de la
presa, estratos geológicos del sitio, Capacidad de soporte, estabilidad de los
estribos o anclajes laterales, condiciones de flujo de agua subterránea.
96
En la presente investigación se determina que el área del proyecto está sobre
formaciones rocosas de alta permeabilidad, las características de este suelo fueron
descritas anteriormente, por lo tanto se considera que esta no presenta problemas
en lo referente a la resistencia considerándose segura ante cualquier tipo de
asentamiento, sin embargo pueden existir cualquier tipo de problemas como fisuras.
Se proyectara el sellado de la cimentación mediante inyección de lechada para
eliminar fisuras y en el caso de encontrarse hendiduras.
4.8 Riesgo Sísmico
Este estudio se realiza para proporcionar información y conocer las
consecuencias de la actividad sísmica o movimiento telúrico. Este análisis se realiza
en prospección de una serie de datos históricos para saber su magnitud, frecuencia
y epicentro y así proyectarse ante futuros daños causados por los mismos.
En el Ecuador el riesgo sísmico se encuentra definido en la norma NEC en la
cual se determina, un valor de Z, que representa la aceleración máxima en roca
esperada para el sismo de diseño, expresada como fracción de la aceleración de la
gravedad.
De acuerdo a el mapa de la figura siguiente el cual fue elaborado para un 10%
de excedencia en 50años (período de retorno 475 años), que incluye una saturación
a 0.50 g de los valores de aceleración sísmica en roca en la región litoral.
97
Ilustración 28 Mapa de zonificación sísmica del Ecuador
Fuente: (2015)
De lo observado en el mapa de riesgo sísmico, el área del proyecto se
encuentra en la zona VI, la cual presenta un valor de Z > 0,5 g lo cual se identifica
como una zona de riesgo sísmico muy alta.
98
4.8.1 Calculo de Espectro de Aceleración.
Perfil de suelo Descripción Vs
B Roca rigidez
media 1500 - 760 m/s
Datos
Z Zona Sismica VI 0.5
Tomado NEC 15 Fa 1
Fd 1
Fs 0.75
PGA Min 0.01 Tomado RENAC para sismo 16 abril
2016
PGA Max 1.16
PGA Diseño 0.585
N 1.8 Provincias Costa Fuente NEC -15
To 0.075 Tc 0.4125 TL 2.400
Calculo de ordenadas Sa
T Sa Observación
0.0000 0.500 Z Fa
0.0250 0.633
0.0322 0.672
0.0483 0.758
0.0733 0.900 To
0.4125 0.900 Tc
0.4375 0.849
0.4858 0.764
0.5591 0.664
0.9716 0.382
1.4091 0.263
1.8949 0.196
2.4000 0.155
99
4.8.2 Calculo de Coeficiente Sísmico de fluencia Ky.
Calculo de Ts Periodo Fundamental Inicial Masa Deslizante
Ts = 2.6(H/Vs) Ts 0.0322 1.5 Ts 0.0483
M 7.0 Magnitud Sismo
Sa (1.5Ts) 0.758
Tomado del Espectro Sísmico para T =1.5Ts
Ɛ 0.660 Variable Aleatoria Vs (promedio) 1130 Velocidad Prom. Onda Sísmica (m/s)
H 14 Altura Presa (m)
Calculo de Coeficiente a a=2,83-0,566*ln(Sa) A 2.985
Calculo Coeficiente b
b=a^2-1,33*(ln(Da)+0,22-3,04*ln(Sa)+0,244* (ln(Sa))^2-1,5*Ts-0,278*(M-7)-E)
Desplazamiento permisible Da (cm) 100 50 30 15 1
Coeficiente b 2.290 3.212 3.891 4.813 8.415
Calculo de Valores Coeficiente Ky
ky= e((-a+√b)/0.665)
Desplazamiento permisible Da (cm) 100 50 30 15 1
Coeficiente de Fluencia ky 0.1093 0.1662 0.2181 0.3041 0.8806
0,000
0,100
0,200
0,300
0,400
0,500
0,600
0,700
0,800
0,900
1,000
0,0000 0,5000 1,0000 1,5000 2,0000 2,5000 3,0000
Sa (
g)
T (seg)
100
4.9 Protección de Taludes
Los taludes de aguas arriba de las presas de tierra deben ser protegidos contra
los efectos erosivos causados por las olas, cavernas producidas por animales y
erosión causada por vientos, los tipos más comunes de protección a los taludes los
comprenden los enrocados y pavimentos de hormigón.
La protección del talud de aguas arriba de la presa debe iniciar en la corona y
extenderse completamente por el talud hasta terminar en una berma de apoyo.
De acuerdo al US Bureau Reclamation, el tipo de protección más confiable
corresponde al enrocado colocado al volteo, el mismo que además de la
confiabilidad no requiere de mayores labores de mantenimiento.
La eficacia del enrocado dependerá de factores tales como:
Calidad, peso, forma y dimensiones de la roca utilizada
Espesor del enrocado
Taludes del terraplén
El diseño de la protección se realizó de acuerdo a la máxima longitud del espejo
de agua de la presa de acuerdo al criterio de diseño del US Bureau Reclamation.
101
Tabla 7 Espesores y límites de granulometría para el enrocado sobre taludes 3: 1
Fetch del vaso Espesor Nominal Porcentaje de piedras de diferentes pesos (en libras)
Millas km Pulgadas Centímetros Tamaño
Máximo
Cuando menos
el 25 % mayor
que
45 a 75 %
de ___ a
___
No mas del
25 % menor
que
1 1,609 18 45,72 1000 300 10 - 300 10
2,5 4,023 24 60,96 1500 600 30 - 600 30
5 8,047 30 76,2 2500 1000 50 - 1000 50
10 16,093 36 91,44 5000 2000 100 - 2000 100
Fuente: Libro Diseño de Presas Pequeñas, US Bureau Reclamation
Elaboración: C. Garzón
102
CAPITULO V
ANALISIS DE ESTABILIDAD
Este análisis se realiza aplicando el método de equilibrio límite de Bishop el
mismo que fue alimentado con los siguientes parámetros geotécnicos:
Tabla 8 Resumen Materiales para análisis de estabilidad Programa Slope/w
Descripción Uso Permeabilidad
(k)
Peso
Específico
ɣs
Cohesión
C Ø
m/día Kn/m3 Kpa
Arcilla limo Arenosa Base 8.64E-04 16.191 55.898 13.12
Arena Fina Dren 8.64E-0 13.729 0.000 36.00
Arenisca
conglomerada(Tablazo) Cimentación 8.64E-2 23.536 0.981 45.00
Enrocado Protección
Talud 8.64E03 19.613 0.000 35.00
Elaboración: C. Garzón
5.1 Control de Filtraciones
Este análisis considera dos etapas de cálculo, la primera determina la línea
superior de flujo, cálculo de gradiente hidráulico, velocidades de filtración y caudal
de filtración, la segunda verifica si la estructura del suelo tiene la capacidad para
resistir las fuerzas hidrodinámicas que ejerce el flujo filtrante y el análisis de la
seguridad de la obra.
103
En el caso de presas de tierra de tipo homogéneo aunque el material que la
constituye sea muy impermeable, siempre se presentaran filtraciones en el talud
aguas abajo.
5.1.1 Gráfico de la Línea de Saturación.
Para el análisis del presente proyecto se analizara la presa de tipo homogénea
para la cual será calculada de acuerdo al pre dimensionamiento, como primer paso
se graficó la línea superior de flujo, tanto para el nivel de máximas aguas ordinarias
NAMO como para el nivel máximo de aguas extraordinarias NAME, siguiendo el
procedimiento planteado por Kozeny con la corrección de A. Casagrande.
Se proyectar elaborar un dren tipo chimenea de 2.5 metros de espesor
construido con materiales granulares permitiendo que sirva como drenaje y permita
incrementar el Factor de Seguridad del proyecto
5.1.2 Calculo Parábola Kozeny Nivel NAMO Presa Homogénea
Modificada Filtro.
Datos
Parábola Básica
M 29
y x
Md 8.7
0 1.4240
h NAMO 11.6
0.7 1.338
D 22.2
1.4 1.080
2.1 0.650
Angulo Sitio de Salida
2.8 0.048
H Salida 1
3.5 -0.727
V Salida 4
4.2 -1.673
α Salida= 75.96
4.9 -2.791
5.6 -4.082
6.3 -5.544
Foco de la Parábola Básica
7 -7.179
104
y0 2.848
7.7 -8.985
A0 1.4240
8.4 -10.964
9.1 -13.115
Calculo Punto Salida Corregido
9.8 -15.437
"c" Casagrande 0.29
10.5 -17.932
(a+∆a) 3.75
11.2 -20.599
∆a c/(a+∆a)
11.9 -23.438
∆a 1.09
12.6 -26.449
A 2.66
13.3 -29.632
?
Ilustración 29 Presa El Chapucal. Grafico Línea Superior de Saturación
Fuente: (DAS, 2010)
5.1.3 Gráfico de la Red de Flujo NAMO.
Ilustración 30 Presa El Chapucal. Grafico Red de Flujo
Fuente: (GEO-SLOPE, 2008)
105
5.1.4 Calculo de Gradiente Crítico y caudal de filtración Nivel
NAMO.
DATOS:
ɣ = 1651 Kg/m3
ɣw = 1000 Kg/m3
ht NAMO 11.6 M
Nf 4
Nd 9.01
K 1.00E-07 m/sg
Calculo Caudal de Filtración
qt = (nf/nd)*k*ht*1m
qt = 5.15E-07 m3/sg
4.45E-02 m3/día
Calculo Gradiente Critico (ic)
ic = (ɣ-ɣw)/ɣw
ic = 0.651
Calculo Gradiente de Salida (i)
∆h =ht/nd
∆h = 1.287 M
L = 16.72 M
i= ∆h/L
i = 0.0770
Calculo de Factor de seguridad
FS = ic/i
FS = 8.45
FS > 6 Ok
5.2 Análisis de la estabilidad de taludes
Este análisis considera la estabilidad de taludes, adicionando un coeficiente
lateral sísmico, este se obtiene en base a la sismicidad del área de estudio y es de
naturaleza semiempirica.
106
Ilustración 31 Presa El Chapucal Alternativa de Análisis A
Tabla 9 Resultados Calculo Factor de Seguridad Alternativa A
A Condición Aguas Arriba Bishop Fellenius
Inicial 3.099 3.086
NAMO 4.478 4.091
NAMO + Sismo 1.95 1.656
Vaciado Rápido ( 1 día) 0.63 0.948
B Condición Aguas Abajo
Inicial 2.778 2.769
NAMO 2.734 2.726
NAMO + Sismo 1.621 1.604
Elaborado. Garzón C.
Una vez realizado el análisis se puede apreciar que esta alternativa no cumple
los factores de seguridad mínimos requeridos de acuerdo a la norma aplicada, por lo
4.478
Distance
-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110
Ele
vation
-15
-13
-11
-9
-7
-5
-3
-1
1
3
5
7
9
11
13
15
0.630
Distance
-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110
Ele
vation
-15
-13
-11
-9
-7
-5
-3
-1
1
3
5
7
9
11
13
15
107
que se procedió a proponer las alternativas B y C, en las cuales se incluye un
delantal de 100 metros de longitud, el mismo que contiene una membrana
impermeable confinada entre un metro de la arena utilizada para el dren en la
alternativa B y dos metros de confinamiento con el mismo material propuesto para el
terraplén en la alternativa C.
Tabla 10 Resumen Materiales para análisis de estabilidad Programa Slope/w
Descripción Uso
Permeabilidad
(k)
Peso
Específico
ɣs
Cohesión
C
Ø m/día Kn/m3 Kpa
Arcilla limo Arenosa Base 8.64E-04 16.191 55.898 13.12
Arena Fina Dren 8.64E+00 13.729 0 36
Arenisca
conglomerada(Tablazo) Cimentación 8.64E-02 23.536 0.981 45
Enrocado Protección Talud 8.64E+03 19.613 0 35
Membrana
Impermeabilización
delantal 8.64E-09 10 0 30
Alternativa B.
Ilustración 32 Presa El Chapucal Alternativa de Análisis B.
1.062
Distance
-70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130
Ele
vation
-15
-12
-9
-6
-3
0
3
6
9
12
15
2.514
Distance
-70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130
Ele
vation
-15
-12
-9
-6
-3
0
3
6
9
12
15
108
Tabla 11 Resultados Calculo Factor de Seguridad Alternativa B
A Condición Aguas Arriba Bishop Fellenius
Inicial 2.543 2.54
NAMO 5.868 5.555
NAMO + Sismo 1.062 1.051
Vaciado Rápido (7dias) 2.514 2.512
B Condición Aguas Abajo
Inicial 2.737 2.711
NAMO 2.727 2.702
NAMO + Sismo 1.574 1.559
Elaboración. C. Garzón
Alternativa C.
Ilustración 33 Presa El Chapucal Alternativa de Análisis C
Tabla 12 Resultados Calculo Factor de Seguridad Alternativa C
A Condición Aguas Arriba Bishop Fellenius
Inicial 2.543 2.54
NAMO 5.833 5.522
NAMO + Sismo 1.062 1.051
Vaciado Rápido (1dias) 2.520 2.519
B Condición Aguas Abajo
Inicial 2.737 2.711
NAMO 2.727 2.702
NAMO + Sismo 1.574 1.559
Elaboración: C. Garzón.
1.062
Distance
-70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130
Ele
vation
-15
-12
-9
-6
-3
0
3
6
9
12
15
2.520
Distance
-70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130
Ele
vation
-15
-12
-9
-6
-3
0
3
6
9
12
15
109
Del análisis de los resultados se observa el valor de factor de seguridad obtenido
para las condiciones estáticas propuestas en la alternativa C, es la que cumple con
los valores mínimos requeridos por la Norma Española usada como referencia (FS
min = 1,4).
Para la condición de análisis bajo la acción de sismo se observa que el factor de
seguridad FS calculado es mayor que 1,5 lo para un desplazamiento permanente
esperado de 30 cm bajo la acción de un sismo de Magnitud 7 con un coeficiente
sísmico Ky = 0.2181.
El menor factor de seguridad FS se presenta durante la condición de vaciado rápido
en un tiempo estimado de 1 día, con valores cercanos a la unidad.
110
CAPITULO VI
PROCESO CONSTRUCTIVO Y CONTROLES DE CAMPO
En este capítulo se detalla la metodología para la realización del proyecto
teniendo como finalidad que el resultado sea lo más cercano posible a lo que se
plantea en el pre diseño.
6.1 Procedimiento constructivo
La propuesta plantea la reparación de la presa El Chapucal mediante la siguiente
metodología constructiva:
Corte longitudinal y retiro del material del talud de aguas debajo de la presa
existente cuidando mantener el talud requerido para la construcción del dren
tipo chimenea con la inclinación propuesta.
Demolición de vertedor existente
Sellado de la cimentación mediante inyección de lechada de mortero.
Construcción del dren tipo chimenea inclinado y drenes horizontales así como
los materiales de filtro propuesto.
Mezcla de materiales propuestos para la reconstrucción del terraplén y
construcción del mismo.
6.2 Preparación de la cimentación
El procedimiento indica el desbroce y limpieza del sitio a una profundidad 50
entre 0,5 m a 1 m. el fin es encontrar el material rocoso, aquí se realiza el sellado de
111
la cimentación mediante inyección de lechada de cemento de 5cm de espesor
cuidando de sellar fisuras y en el caso de encontrarse hendiduras de mayor tamaño,
estas serán inyectadas a presión.
6.3 Reconstrucción de Terraplén
El material proviene de bancos de préstamos seleccionados los cuales será
transportado hasta el sitio en volquetes, las mismas que descargaran directamente
en el sitio de construcción, los montículos serán descabezados por un bulldozer tipo
D6 posterior a lo cual una moto niveladora procederá a realizar el tendido del
material en capas de 25 centímetros de espesor, el espesor de las capas deberá ser
controlado mediante topografía.
La humedad será controlada mediante ensayo y se procederá a la compactación
con rodillo pata de cabra de 8 Ton, en forma paralela a la dirección longitudinal de la
presa, iniciando desde los bordes para terminar en el centro, traslapando entre cada
pasada mínimo el ancho equivalente a un medio de la dimensión del equipo
compactador.
Previo a la colocación de la siguiente capa, el material deberá ser escarificado en
una profundidad de 5 a 10 centímetros mediante el uso de rastras, en este se debe
comprobar la humedad suficiente, esto con el fin de lograr la adherencia suficiente
ente capa y capa.
112
6.4 Calculo de volumen de materiales requeridos
La cubicación del material requerido se realiza en base a la sección transversal
de la presa propuesta, la cual tiene un área de 476 m2, sin embargo solo se
removerá el cincuenta por ciento del material que conforma el terraplén por lo que el
cálculo de volumen se reduce a 236 m2 lo cual multiplicado por los 400 metros de
longitud que tiene la presa representa un total de 94400 metros cúbicos de material.
113
CAPITULO VII
CONCLUSIONES
De acuerdo a al análisis realizado en la presente investigación se concluye lo siguiente:
Es posible la reparación de la presa El Chapucal ya que existen materiales que
se pueden obtener dentro de la presa lo cual permite bajar los costos y lograr una
optimización de recursos.
La propuesta de corte longitudinal y reparación de la cara de aguas abajo de la
presa e instalación de filtro ayudan a mejorar las condiciones de estabilidad de la
presa y esto a su vez mejora las condiciones de drenaje del terraplén de la presa.
La alternativa de pre diseño tiene como fin la construcción de un delantal con el
mismo material utilizado en el terraplén más la inclusión de una membrana
impermeable es la que mejor responde a las condiciones de análisis propuest
BIBLIOGRAFIAS
BRAJA M, D. (2010). Principles of Geotechnical Engineering. California: 7th Edition.
BRAY, J. &. (2011). Pseudostatic Slope Stability Procedure. En: 5th International
Conference on Earthquake Geotechnical Engineering. Santiago, Chile: la ria.
Bray, J. &. (2009). Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering.
Costa Rica: Pseudostatic coefficient for use in simplified seismic slope stability
evaluation. .
CARBALLO, D. (2012). Análisis sísmico de estabilidad de taludes. Costa Rica , 46.
GEO-SLOPE, I. L. (2008). Stability Modeling with SLOPE/W 2007 Version An
Engineering Methodology . California: Third Edition.
Infantes, A. J. (1999). Diseño Sísmico De Presas De Tierra Y Enrocado. Huánuco:
Ponencia Presentada al XII Congreso Nacional de Ingeniería Civi.
LANCELLOTTA, R. (2009). Geotechnical Engineering . Juarez: Second English
language edition published .
MARIN, L. (2010). mecanica de suelos. Guayaquil: Textos universitarios.
RAMIREZ VESQUEZ, C. (2003-2004). Criterios Utilizados para el rediseño final y
proceso constructivo. Guayaquil.
RAMIREZ, J. L. (Dic 2011). Resources Dam Safety Program. Ohio Department of
Natural Resources Division of Soil and Water (págs. Fact Sheet 99-5). Ohio: hgent.
RECLAMATION, U. B. (1972). Diseño de Presas Pequeñas. Mexico: beritas.
REYES, M. F. (2011). Mecanica de materiales del suelo. Bogota.
SNEIJDER, K. (2008). Mecanica de suelo. Bogota.
ANEXOS
Ilustración 34 Presa El Chapucal - Vista del sitio de falla - Ago 2016
Ilustración 35 Presa El Chapucal Vista desde Sitio de Falla hacia aguas arriba - Ago 2016
Ilustración 36 Presa El Chapucal Muro de Vertedor Vista desde aguas arriba, Rio Verde
Ilustración 37 . Presa El Chapucal Sitio del Vertedor Vista desde Aguas Abajo, Rio Verde
Agosto 2016
Ilustración 38 Presa El Chapucal. Descarga del Vertedor Vista desde Aguas abajo
Presidencia
de la República
del Ecuador
AUTOR/ES: REVISORES:
CARLOS LEONARDO GARZON ZAMBRANO ING.ENRIQUE HERBOZO ALVARADO
ING.PATRICIA CARDENAS CASTILLO, M.Sc.
ING.ALFREDO SILVA
INSTITUCIÓN: Universidad de Guayaquil FACULTAD: De Ciencias Matematicas y Fisicas
CARRERA: Ingenieria civil
FECHA DE PUBLICACIÓN: 2016 Nº DE PÁGS: 113
ÁREAS TEMÁTICAS: Hidraulica
Propuesta de Rehabilitacion de la Presa sobre el Rio Verde
PALABRAS CLAVE:
PROPUESTA-REHABILITACION-PRESA-RIO VERDE
RESUMEN:
N. DE REGISTRO (en base de datos): Nº. DE CLASIFICACIÓN:
DIRECCIÓN URL (tesis en la web):
ADJUNTOS PDF: SI NO
CONTACTOS CON AUTOR/ES: Teléfono: 0993798892
CONTACTO EN LA Nombre: FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS Y FISICAS
INSTITUCIÒN: Telèfono: 2-283348
Quito: Av. Whymper E7-37 y Alpallana, edificio Delfos, teléfonos (593-2) 2505660/ 1: y en la
Av. 9 de octubre 624 y Carrión, edificio Prometeo, teléfonos: 2569898/9, Fax: (593 2) 250-9054
REPOSITORIO NACIONAL EN CIENCIA Y TECNOLOGIA
FICHA DE REGISTRO DE TESIS
Innovacion y saberes
º
1
El presente trabajo de titulación plantea una propuesta para la rehabilitación de la presa El Chapucal, la misma que presentouna falla de talud debido a la erosión de la corona durante el Fenómeno El Niño 97-98 debido a la falta de capacidad del vertedor para aliviar el exceso de agua proveniente de las lluvias, para realizar los diferentes análisis se trabajó en base a la topografía del sitio, se realizaron tres calicatas para la toma de muestras de los diferentes materiales existentes en el sitio, se ensayaron los materiales en el laboratorio mediantes ensayos de clasificación, pruebas de compactación y corte directo, para determinar los parámetros geotécnicos de manera individual y de las mezclas propuestas tanto al 50 % como al 70% de inclusión de arcilla , se plantea el prediseño mediante tres alternativascon diferentes taludes hacia aguas abajo y con el empleo de un delantal de 80 metros de largo y dos metros de espesor impermeabilizado con geomebrana y recubierto con el mismo material de propuesto en el prediseño, además se consideró la protección del talud mediante la construcción de un enrocado, se realizó el grafico de la línea de saturación, el análisis de la red de flujo para cálculo de gradiente de salida y caudal de salida, se realizó el análisis de estabilidad para los diferentes estados de carga propuestos: (fin de la construcción, estado de servicio al nivel NAMO, estado de carga NAMO mas sismo y vaciado rápido) , seleccionándose la alternativa que propone la construcción del delantal impermeable ya que presento el mejor comportamiento como resultado del análisis realizado.
X
Propuesta De Rehabilitación De La Presa El Chapucal Sobre El Río Verde Ubicado En La Comuna Río Verde, Cantón Santa Elena - Provincia De Santa Elena.
TÍTULO Y SUBTÍTULO
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