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Alfonso DE LA O CARR~O *~

In.eeniero Geólo.el

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La construcción de cortinas de concreto, comjse sabe, implica que se estudien con gran cuidadjlas condiciones geológicas de la boquilla dondivaya a implantarse una estructura de esa naturaleza, y aunque la orientación y metodología dilas investigaciones sean aplicables en general ¡cualquier caso, cada sitio de cortina en particu.larimplica problemas. a veces muy específicos po:su geología. Además. hay Que tener en cuenb

* Simposium sobre cortinas de concretl** Cnn~IJltn.. ~Mln,,1"\ ilA 1" ~ ~ ~

que, en conjunto y dentro de ciertos limites, la:cortinas de gravedad y de contrafuertes puedelsoportar pequeñas deformaciones de la roc¡de cimentación, gracias a sus juntas verticaJes d<construcción, en las de arco, principalmente las dlarco-bóveda previstas. En general las deformaciones de la roca no deben pasar de ciertos limite!para garantizar la estabilidad de las estructuraslo que trae como consecuencia hacer a veces investigaciones muy detalladas, dándose gran importancia al comportamiento mecánico del macizo rocoso.

Los factores geológicos principales Que {!obier.

RECURSOS HlDRAULlCOS490

Valles amplios, mayor de 6, hasta planicies

/

nan la elección de un determinado tipo de cortina,en el macizo rocoso donde está labrada una bo-guilla son:

1.1.2. Morfologia de conjunto de la boquilla.1.1.3. Estratificación del macizo rocoso.1.1.4. Clase y naturaleza litológica y petrográ-

rica de la roca, que influyen en su resistencia fntodos sus aspectos y en su deformabilidad.

1.'1.5. Estado de alteración de la roca, que mo-difica sus propiedades originales.

1.1.6. Grado de fracturamiento de la roca; losorígenes del mismo y sus orientaciones.

1.1.7.' La permeabilidad del macizo, tanto pri-maria como secundaria, que puede dar lugar aflujos y subpresiones no deseables, que deben evi-tarse.

1.1.8. Seismicidad local, relacionada con laseismicidad regional.

1.1.9. Materiales de construcción adecuados.Comentaremos brevemente los puntos ante-

riores.

En una boquilla estrecha pueden presentarsecóndiciones favorables para una cortina de arcosimple o un arco-bóveda. Para este caso es con-veniente un valor menor de 4. Una boquilla menosangosta puede ser apropiada para una cortina decontrafuertes o de gravedad propiamente dicha,o quizá, para una de arco-gravedad. En cambioen una boquilla muy amplia, se pensaria en unacortina mixta, es decir, un tramo con sección deconcreto para el vertedor, si no se cuenta con unpuerto topográficamente adecuado para alojardicha obra; el resto de la cortina, de materialesgraduados. Claro que hay excepciones en estasreglas de carácter general.

En las planicies, cuando es necesario, se cons-truyen presas de derivación de baja alt\)ra.

En la tabla anexa, se dan algunos ejemplos tí-picos de cortinas construidas en México; en rela-ciÓn con la morfología de las boquillas.

1.1.2. Morfología de conjunto de la boquilla.

Estratificación del macizo rocoso.1.1.3.

Topológicah1ente, una boquilla puede ser muyabierta, o de amplitud moderada; o bien angosta,de laderas pendientes, o ser tan estrecha, con pa-redes acantiladas que formen una garganta. Ade-más, puede tener la forma de V o de U, simétricao asimétrica.

Es obvio, que en igualdad de condiciones, y con-siderando otros factores favorables, el tipo de cor-tina está en buena parte gobernado por el mode-lado de la boquilla.

Convencionalmente, se juzga de] estrechamien-to de la misma, mediante un índice, que es la re-lación de la anchura o cuerda (C) , a la altura co-rrespondiente hasta el fondo rocoso (H) .TomandoH como módulo, el índice representa el númerode módulos. Los valores convencionales son lossiguientes:

Garganta I (ndice menor a 3.I 3

~7

Desde el punto de vista de la cimentación delas cortinas de las presas y muy especialmentede las de concreto, se considera la "estratigrafíalitológica", es decir, de la sucesión de capas deroca, si no es masiva, que difieren entre sí, tantoen espesor como en su constitución mineralógica,resistencia, permeabilidad, etc., cuyos contactosdan lugar a discontinuidades o superficies de de-bilidad en el macizo rocoso. Es indudable que laestratigrafía desde el punto de vista de la edadde las rocas, en especial tratándose de las sedi-mentarias, puede en forma general, orientar des-de un principio acerca de las propiedades físi-cas de las mismas.

En México tenemos ejemplo de cortinas cons-truidas en boquillas abiertas en macizos de estanaturaleza, por ejemplo de las presas menciona-das, tenemos la de la presa Venustiano Carranzaen una sucesión de estratos delgados de calizas,margas y lutitas cretácicas. La de la Amistad enuna serie de estratos gruesos o bancos de caliza,a veces separados por delgadas capas de arcilla.(Formación Georgetown del Cretácico. ) La bo-quilla de la Soledad, está sobre potentes bancosde tobas de origen volcánico.

La disposición más desfavorable para cuales-quier tipo de estructura de concreto es una suce-sión horizontal de estratos delgados de rocas debuena dureza y densidad que alternen con otrosde rocas menos densas y duras o sea de propieda-des muy diferentes entre ellas, como calizas ylutitas. Generalmente un macizo así no es suscep-tible de ser mejorado, y puede dar lugar a desli-

Valles angostos, entre 3 y 6

~

6

VOL. n 1973 NUM. 4 491

zamientos y asentamientos diferenciales, debidoa que las rocas no forman unidad y puede sucederque los estratos blandos se saturen y pierdan suresistencia. Por otra parte, generalmente los es-tratos de rocas duras presentan juntas verticalesque dividen cada capa en prismas tabulares.

Aun en cortinas de tierra desplantadas en unmacizo de esta naturaleza es necesario sobreex-cavaciones en los desplantes, para evitar desliza-mientos.

Por otra parte, hay roCas que sin sufrir alte-ración, se intemperizan fácilmente, Como algunasmargas arcillosas y lutitas que pronto se frag-mentan hasta pulverizarse, al perder su humedadpelicular, perdiendo sus cualidades de resistenciaque originalmente pueden haber sido altas: ejem-plo en nuestro país, las margas y lutitas de laFormación Méndez, del Cretácico Supérior .

~1.1.6. Grado de jracturamiento de la roca; 108

orígenes del mismo y sus orientaciones.1.1.4. Clase y naturaleza litol6gica y petro-

gráfica de la roca.

Es obvio que estas cualidades de la roca queforma un macizo, básicamente le dan al mismosus condiciones de resistencia, que en especial seaverigua por medio de exploraciones directas, conmuestreos, que se analizan petrográficamente; aveces son necesarios los análisis químicos. Porsu parte, la Mecánica de Rocas determina tantoin situ como en el laboratorio, características na-turales de las mismas: fracturamiento; resisten-cias a la compresión y al esfuerzo cortante; alte-rabilidad; deformabilidad; permeabilidad; estadonatural de esfuerzos. En resumen se determina laaptitud de la roca para soportar las cargas a queestará sujeta de acuerdo con las característicasde la cortina proyectada. Los modelos estructu-rales comprueban la distribución de las cargas yaclaran y resuelven dudas y ayudan a hacer cam-bios, a veces, fundamentales, en las estructuras enproyecto.

Conviene recordar aquí en forma simplificadala clasificación general de las rocas sin entrar endetalles (tabla anexa).

1.1.5. Estado de alteración de la rocaJ quemodifica sus propiedades originales.

Además de las disyunciones debidas a los es-tratos o capas, los macizos rocosos, siempre pre-sentan fisuras o fracturas, fallas y juntas; a vecesde poca importancia o por el contrario, de tantaimportancia que dividen y quitan unidad al ma-cizo, propiciándole condiciones de anisotropía.

Cualesquiera que sea su origen y dimensioneslas llamaremos con el nombre genérico, clásico,de litoclasas que usó A. Daubrée, quien las dividióen tres grupos, como sigue :

I. Leptoclasas. Poco visibles por su pequeñeze irregulares; que abarcan las Sinclasas, provoca-das por tensiones internas como las producidaspor el enfriamiento de las lavas o un suelo arci-lloso al secarse.

Piezoclasas, las provocadas por esfuerzos deorigen externo, como compresión.

Se observan en rocas peliticas en general, quehan sido fuertemente comprimidas.

II. Diaclasas, de mayores dimensiones, que seextienden considerablemente a rumbo, son gene-ralmente provocadas por esfuerzos de tensión ode compresión debidos a movimientos diastrófi-cos, principalmente en regiones de tectónica y dedeformaciones intensas. Son más evidentes en lasformaciones de rocas sedimentarias.

III. Paraclasas o fallas. Tratándose de fractu-ras importantes, normalmente se presentan dossistemas conjugados, constituidos de litoclasas ver-ticales o inclinadas. Estos sistemas pueden se!' pa-ralelos, normales u oblicuos a los cañont:!s. Es bue-no también indicar que las litoclasas tienden acerrarse hacia la profundidad.

A fin de tener una visión del conjunto de lasfracturas en un sitio, conviene construir una pro-yección esférica en la que por coordenadas pola-res se localizan puntos que representen las nor-males a los planos. La gráfica es circular y estádividida en los cuatro cuadrantes.

Ver el diagrama correspondiente a la margenderecha de la Boquilla de Caboraca, Río de laSauceda, Dgo.

Una boquilla podría quedar invalidada si el ma-cizo está muy fracturado, tanto porque la resis-tencia del conjunto no es adecuada como por lapermeabilidad secundaria que presente. Pero enmuchas ocasiones un buen inyectado d~ consoli-dación con perforaciones profundas bien orien-tadas, puede resolver la situación y los anclajes.Por otra parte una buena pantalla impermeabili-zante con la debida profundidad, interceptará las

Las rocas pueden estar alteradas o muy alte-radas, sea superficialmente o en toda su masa,de tal manera que sus componentes mineralógicoshayan sufrido cambios fundamentales, que desdeel punto de vista de su resistencia pueden ser fa-vorables o bien desfavorables.

Puede suceder que las rocas sólo presenten unazona más o menos profunda de intemperización.

Ejemplos: 1,ln granito que al alterarse, se trans-forma en un material arkósico o sea granos decuarzo o feldespato y caolin. Un basalto, que setransforme en un suelo laterítico. Una caliza, aterra-rosa. Un esquisto micáceo, a hojillas resi-duales de mica.

En otras ocasiones procesos de metamorfismopueden aumentar la resistencia de una roca, porejemplo, al pasar una arenisca a una cuarcita;una pizarra a una corneana o Hornfels; una tobapiroclástica a una toba silicificada, etc. El fenÓ-meno de cocción o paroptesis a metamorfismooptálico, que provoca una colada de lava en unazona de un suelo o toba.

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CLASIFICACION GENERAL DE LAS ROCAS

Plutonitas

;(Abisales)Hipabisales

Rocas IgneasVu Ica nitas

Piroclásticos

Depositodos por oire

Depositodos por el ogua

Depositados por el hielo

II

III -Rocas metarrirficas

el caso de las arco-bóvedas, apoyarlas sobre "pul-vinos".

En las cortinas de gravedad, de contrafuertes,o Ambursen, además de la resistencia del macizo,deberá preverse deslizamientos si la orientaciónde las fracturas es desfavorable.

Por todo lo anterior se ve que el estudio deta-llado del fracturamiento de un macizo es muyimportante y no deben omitirse gastos para dichosestudios.

En las investigaciones de las propiedades me-cánicas de los macizos rocosos, la Geofísica Apli-cada, principalmente la Sismica, es un auxiliarindispensable o complementario.

1.1.7. Permeabilidad del macizo.

Independientemente de que la permeabilidadsea primaria o secundaria, esta propiedad puedeser continua, es decir, generalizada, como en elcaso de rocas clásticas: ejemplos, las areniscas ytobas piroclásticas o en un macizo de roca origi-nalmente masiva pero intensamente fragmentada.O bien puede ser discontinua, es decir, localizada,

posibles fugas que provengan del vaso de almace-namiento y evitará problemas mayor~s en la se-guridad de la cortina.

En principio, un sitio de cortina no debe que-dar sobre una falla muerta y menos aún activa.En el primer caso pueden encontrarse condicionesmuy adversas para la cimentación de la estruc-tura, que por lo menos la encarecerán notable-mente. Caso de la Presa Rodriguez en Baja Cali-fornia. Si la falla es activa porque se encuentreen una zona sismica por inestabilidad isostásica,dicha estructura. quedaría en peligro de ser seria-mente dañada o quizá destruida en el caso de undesplazamiento en la falla.

También un cañón de paredes o laderas fractu-radas, puede dar lugar a deslizamientos en ellaso en excavaciones que se practiquen durante laconstrucción. Se recurre entonces a los anclajes.(Casos de Vaiont en Italia, 262 m, Las Piedras,en Jalisco y la Benito Juárez en Oaxaca.)

La implantación de presas en arco de cualquiertipo, impone que las condiciones del macizo ro-coso sean las mejores, especialmente si la regiónes sísmica. Las inyecciones de consolidación pue-den en algunos casos resolver la situación yen

495

Impermeables, menor a 10-7 cm/s.Semipermeables, entre 10-7 y 10-4 cm/s.Permeables, mayor a 10-4 cm/s.

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cuando está gobernada por s\stemas de fracturasque dividen el macizo; por ejemplo, el caso derocas ígneas como una andesita. En este tipode permeabilidad ocupa un caso muy especialla de las calizas, que aunque en sí pueden ser al-tamente impermeables, pueden tener un gradoavanzado de carsisidad, presentándose oquedadesy conductos de disolución a veces rellenos conarcillas o suelos.

Por otra parte, la roca puede contener agua entres condiciones dif~rentes: prácticamente estan-cada o moviéndose lentamente, con régimen la-minar o bien con un régimen turbulento.

La permeabilidad de un macizo depende comose sabe, de varios factores: de la abertura de loshuecos, poros o fracturas; de la presión del aguacontenida, y del estado de esfuerzos de la roca.

La permeabilidad puede determinarse en espe-cimenes en el laboratorio y también in situ, pormedio de pruebas convencionales como las de tipoLugeon. Estas pruebas puntuales pueden multi-plicarse tanto como sea necesario. Convencional-mente se consideran en general tres rangos de lasrocas de acuerdo con su coeficiente de permeabi-lidad :

Muy frecuentemente debido a la anisotropía delos macizos rocosos, la permeabilidad cambia se-gún la dirección en que se la considere; por ejem-plo, en el sentido horizontal y vertical-"' Independientemente de que la permeabilidaddebe conocerse para evitar fugas del agua alma-cenada, su conocimiento es necesario para con-trolarla por medio de inyectado, pantallas y sis-temas de drenes, evitando riesgos en la seguridadde la cortina; por ejemplo, altos valores de la sub-presión o esfuerzos no convenientes que puedandestruir la pantalla cerca de los arranques o apo-yos de un arco-bóveda, que provoquen la falladel apoyo.

Las fracturas o fallas muy cerradas, a vecesinvisibles por su pequeña abertura, pudieran enciertas circunstancias ser más peligrosas que laslitoclasas francas que se pueden ver e inyectar .

Volviendo al caso de las calizas, solamente agre-garemos que casi siempre es necesario rellenar("retacar" en términos mineros) , oquedades y

Presa Presidente Benito Juárez.

VOL. II 1973 NUM. 4 497

Presa Las Piedras. Obra de toma.

fracturas e inyectarlas después. Esto lo tuvimosque hacer en los desplantes de los monolitos deconcreto de la sección central de la Presa Inter-nacional de La Amistad.

(M) de Richter y la empírica de Mercalli-Wood-Neumann, de intensidades (I), relacionados conlas aceleraciones, según Cancani. La magnitudmáxima o de alcance mundial, es de 8.5. Las in-tensidades según Cancani Ee dividen en 12 gra-dos, con aceleraciones limites máximas que vande 0.25 cm/s2 a 500 cm/s2, o sea la mitad de laaceÍeración de la gravedad.

En regiones cercanas al epifoco debe tambiénconsiderarse la componente vertical de la acele-ración. En el diseño de cortinas en Turquía setoma 0.10 9 en sitios fuera de las zonas epicen-trales. En el limite de estas zonas o dentro deellás 0.15 9 y en sitios muy cercanos al epicentrose toma 0.20 9 para la aceleración horizontal yde 0.70 9 a 0.10 9 para la componente vertical.

El criterio en el "California Water Project",para estructuras rígidas cimentadas sobre aluvio-nes dentro de los 19 km de la falla de San Andrés :es horizontal, 0.50 g; vertical, 0.30 g.

Es posible calcular aproximadamente la com-ponente vertical en un punto que interese cercanoaun epifoco, de un macrosismo pasado que puederepetir, si se conocen las caracteristicas del fenó-meno y la profundidad del foco. De esta manerael que esto expone calculó y propuso para la Presade Tepuxtepec, Río Lerma, Méx., una componentehorizontal y vertical de 0.19 g; para Las Piedras,Río San Miguel, Jal., horizontal 0.37 g; vertical,0.15 g.

Se reproduce aquí la carta del Instituto de Geo-física de la U.N.A.M., que acompañó al articulodel que habla, sobre la seismicidad en la Repú-blica. En ella se han señalado con una ( + ) losepicentros más peligrosos, para que se tengan encuenta en la implantación de estructuras de inge-niería cercanas, que deberán sujetarse a diseñodinámico.

A la instrumentación de obras ya construidas,es conveniente agregar un acelerógrafo.

Para terminar estas breves consideraciones so-bre seismicidad, conviene indicar que una reglageneral de la Geología Sísmica, es, no construirestructuras sobre zonas epicentrales, ni sobre fa-llas activas que por resonancia puedan moversea la hora de un macrosismo.

1.1.8. Seismicidad local} relacionada con laseismicidad regional.

Materiales de construcción adecuados.1.1.9.

Los agregados pétreos para un concreto debuena calidad y de alta resistencia, deben ser losadecuados y los bancos de préstamo cubicar los vo-lúmenes necesarios y encontrarse a distanciasconvenientes. Seria innecesario entrar en detallessobre la calidad de los mismos; solamente diremosque deben ser materiales no intemperizables fá-cilmente ni alterados y de buena roca. Si los ban-cos son playones de río, deben tener la menorcontaminación de arcillas o limos, o en todo caso,que puedan ser eliminados por el lavado. Debenestar bien graduados, pero en todo caso las clasi-

Es costumbre que en el cálculo de la estabilidadde una cortina aunque vaya a construirse en unaregión asísmica, considerar un factor de 0.1 g,pero este factor no tendrá prácticamente ningúnvalor para una región sísmica, en la que debeconsiderarse y de hecho así se hace, valores mu-cho mayores, de acuerdo con la magnitud de lostemblores de focos vecinos y más si el sitio depresa es cercano a la zona epicentral o a vecesestá en ella. El fenómeno sísmico es aún más pe-ligroso para una estructura, si en sus cercaníashay fallas que puedan por resonancia moverse yya se indicó que por principio una cortina nodebe construirse sobre fallas activas.

Como se sabe, los temblores se valoran por susaceleraciones. Se utilizan la escala de magnitudes

r..'011.

1(éclo, .9i' odr~9'1J.wtl

RECURBOB HIDRAULICOB498

Presa Abelardo Rodríguez. B.C.

ficadoras se encargarán de dar los tamaños ade-cuados de gravas y arenas.

De no haber vegas tendrá que escogerse bancosde roca fija para fabricar los agregados.

En ambos casos no deberán contener síliceamorfa porque, reacciona con el cemento o en sucaso proporcionar el cemento adecuado.

Programas de exploración.1.1.10.

sistemas de fracturas, fallas, echados y rumbosde la estratificación.

c) Conocida la geología superficial y la tec-tónica, será fácil programar las exploraciones di-rectas a base de perforaciones verticales e incli-nadas, con pruebas de permeabilidad. Tambiéntúneles y pozos a cielo abierto en las laderas,para el mejor reconocimiento de la roca y de sufracturamiento.

Estas obras servirán después para los estudiosin situ del comportamiento mecánico del macizorocoso.

d) SÍmultáneamente se estudian y cubican losbancos de préstamo, determinándose las caracte-risticas de los diferentes materiales, desde el pun-to de vista de la Mecánica de Suelos.

e) Conviene indicar que independientementedel auxilio que la Geofisica Sísmica presta alaMecánica de Rocas para la determinación de lasconstantes elásticas del macizo rocoso; tambiénen ciertos casos, la Geofisica Eléctrica ayuda adeterminar fracturas y oquedades en formacionescárs.icas a veces enmascaradas.

I) Los resultados de las exploraciones y suinterpretación final, darán elementos para resol-ver qué tipo de cortina es la más adecuada, aun-que generalmente ya se han hecho anteproyectosde estructuras que se juzga adecuadas, que sirvanpara orientar mejor los trabajos de exploración.

Huelga decir que para llevarlos a cabo es ne-cesario abrir caminos de acceso provisionales.

Los programas de exploración de las boquillasdeben desarrollarse en una secuencia lógica, comosigue :

a) Si se cuenta con pares de fotografias aéreasse hará una fotointerpretación' para fijar los ras-gos generales de la geología superficial y posi-bles bancos de préstamo de materiales.

b) Reconocimiento de campo para ver si lageología en general es aceptable y deba prose-guirse con el programa de investigaciones y paracomprobar el estudio fotogeológico. Si procede,se hace ellevantamiento"geológico detallado, ba-sándose en un plano topográfico a escala, de pre-ferencia '1: 1000. Se reconocen además los bancosde préstamo.

En este levantamiento además de los contactosde las diferentes formaciones de rocas, se daráespecial interés a la parte tectónica y estructural :

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