Estudio geotécnico y numérico de las condiciones de las
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Estudio geotécnico y numérico de las condiciones de las excavaciones subterráneas excavaciones subterráneas Fermín Sánchez Grupo de Asesores Externos en Geología y Geotecnia de la Comisión Federal de Electricidad 1 Esquema del complejo subterráneo PH La Yesca Estudios Complementarios 2 1 ESTABILIDAD DE LA BÓVEDA PH La Yesca Estudios Complementarios 3 ESTABILIDAD DE LA BÓVEDA PH La Yesca Estudios Complementarios 4 2 ESTABILIDAD DE LA BÓVEDA PH La Yesca Estudios Complementarios 5 ESTABILIDAD DE LA BÓVEDA PH La Yesca Estudios Complementarios 6 3 ESTABILIDAD DE LA BÓVEDA PH La Yesca Estudios Complementarios 7 MODELO DE DIFERENCIAS FINITAS EN 3D PH La Yesca Estudios Complementarios 8 4 ESTABILIDAD DE LA BÓVEDA PH La Yesca Estudios Complementarios 9 ESTABILIDAD DE LA BÓVEDA PH La Yesca Estudios Complementarios 10 5 ESTABILIDAD DE LA BÓVEDA PH La Yesca Estudios Complementarios 11 ESTABILIDAD DE LA BÓVEDA PH La Yesca Estudios Complementarios 12 6 ESTABILIDAD DE LA BÓVEDA PH La Yesca Estudios Complementarios Resistencia del concreto lanzado con fibras El método ét d conocido id como σ-ε Method M th d hace h uso d de lla tteoría í d dell concreto reforzado pero además utiliza varias recomendaciones del comité técnico RILEM TC 162-TDF y del European pre-standard ENV 1992-1-1 (Eurocode 2: Design of Concrete Structures- Part 1) 13 ESTABILIDAD DE LA BÓVEDA PH La Yesca Estudios Complementarios Caso A: Procedimiento actual. 14 7 ESTABILIDAD DE LA BÓVEDA PH La Yesca Estudios Complementarios Caso B: Procedimiento reforzado. 15 ESTABILIDAD DE LA BÓVEDA PH La Yesca Estudios Complementarios Resistencia del concreto lanzado con fibras 16 8 ESTABILIDAD DE LA BÓVEDA PH La Yesca Estudios Complementarios Resistencia del concreto lanzado con fibras 17 PH La Yesca Estudios Complementarios ESTABILIDAD DE LAS PAREDES 18 9 Principales sistemas de discontinuidades PH La Yesca Estudios Complementarios 19 Principales sistemas de discontinuidades PH La Yesca Estudios Complementarios 20 10 Principales sistemas de discontinuidades PH La Yesca Estudios Complementarios 21 Principales sistemas de discontinuidades PH La Yesca Estudios Complementarios 22 11 PH La Yesca Estudios Complementarios Principales sistemas de discontinuidades 23 PH La Yesca Estudios Complementarios Principales sistemas de discontinuidades Criterio de Mohr‐Coulomb Criterio de Barton‐Choubey Parámetros de resistencia Sistema S ** (Pilar‐Esperanza) ° c (t/m2) r ° JCS JRC Falla 28 3.1 24 900 3 Sistema 35 5.0 28 900 4 Falla 24 1.2 22 500 1.3 Sistema 29 5.4 24.5 500 5.0 Sistema VO ** ((Gotero‐Yonque)) Sistema 30 4.5 25.5 650 4.0 Sistema S4 * (Pseudoestratificación) Sistema 39 12 ‐‐‐ ‐‐‐ ‐‐‐ Sistema CP * (Pitayo‐Quebrada) 24 12 Definición de Cuñas Tipo PH La Yesca Estudios Complementarios Esquema de la cuña Tipo 1hi para el caso en que ésta se forma a través de discontinuidades simples. Sistemas S (azul), VO (rojo) y una variación de CP (lila). La cuña desliza sobre S y VO. 25 Definición de Cuñas Tipo PH La Yesca Estudios Complementarios Cuña aguas‐arriba 26 13 Definición de Cuñas Tipo PH La Yesca Estudios Complementarios Cuña aguas‐abajo 27 PH La Yesca Estudios Complementarios ANCLAJES DE PROYECTO Barras de acero de diámetro 1.5” inyectadas con mortero f’c=200 kg/cm2 y sujetas con p placa de acero de 20 x 20 cm y ½” de espesor. y p 28 14 CUÑA PARED AGUAS ARRIBA PH La Yesca Estudios Complementarios A N Á L I S I S D E S E N S I B I L I D A D d) Influencia del agua en las discontinuidades ) g 29 CUÑA PARED AGUAS ABAJO Principales sistemas de discontinuidades PH La Yesca Estudios Complementarios 30 15 PH La Yesca Estudios Complementarios CUÑA PARED AGUAS ABAJO 31 PH La Yesca Estudios Complementarios CUÑA PARED AGUAS ARRIBA A N Á L I S I S D E S E N S I B I L I D A D a) Parámetros mínimos (CP) a) Parámetros máximos (Pilar) 32 16 PH La Yesca Estudios Complementarios CUÑA PARED AGUAS ARRIBA Cuña definida por los sistemas: 223º/45º pseudoestratificación y/o Falla S4 330º/55 sistema Pilar 125º/40º Sistema Crucero-Pitayo 33 PH La Yesca Estudios Complementarios PUNTALES DE ACERO PROPUESTOS fy = 2530 kg/cm2 As = 535.6 cm2 E = 2,100,000 kg/cm2 34 17 PH La Yesca Estudios Complementarios MODELOS DE ELEMENTOS FINITOS EN 2D Cuñas mínimas 35 PH La Yesca Estudios Complementarios MODELOS DE ELEMENTOS FINITOS EN 2D Cuñas máximas 36 18 MODELOS DE ELEMENTOS FINITOS EN 2D A N Á L I S I S D E S E N S I B I L I D A D PH La Yesca Estudios Complementarios a) Influencia de la deformabilidad del macizo rocoso 37 MODELOS DE ELEMENTOS FINITOS EN 2D A N Á L I S I S D E S E N S I B I L I D A D a) Influencia de la deformabilidad del macizo rocoso PH La Yesca Estudios Complementarios 38 19 MODELOS DE ELEMENTOS FINITOS EN 2D A N Á L I S I S D E S E N S I B I L I D A D PH La Yesca Estudios Complementarios c) Influencia del tamaño de la cuña 39 MODELOS DE ELEMENTOS FINITOS EN 2D A N Á L I S I S D E S E N S I B I L I D A D PH La Yesca Estudios Complementarios c) Influencia del tamaño de la cuña 40 20 MODELOS DE ELEMENTOS FINITOS EN 2D A N Á L I S I S D E S E N S I B I L I D A D PH La Yesca Estudios Complementarios c) Influencia del tamaño de la cuña 41 MODELOS DE ELEMENTOS FINITOS EN 2D A N Á L I S I S D E S E N S I B I L I D A D PH La Yesca Estudios Complementarios c) Influencia del tamaño de la cuña 42 21 MODELO DE DIFERENCIAS FINITAS EN 3D PH La Yesca Estudios Complementarios Puntales en la malla 43 MODELO DE DIFERENCIAS FINITAS EN 3D PH La Yesca Estudios Complementarios Esquema para la ubicación de los puntales 44 22 MODELO DE DIFERENCIAS FINITAS EN 3D PH La Yesca Estudios Complementarios a) Influencia de la deformabilidad del macizo rocoso 45 Análisis puntales en 3D PH La Yesca Estudios Complementarios 46 23 MODELO DE DIFERENCIAS FINITAS EN 3D PH La Yesca Estudios Complementarios a) Influencia de la deformabilidad del macizo rocoso Comparación 2D vs. 3D 47 MODELO DE DIFERENCIAS FINITAS EN 3D PH La Yesca Estudios Complementarios a) Influencia de la deformabilidad del macizo rocoso 48 24 MODELO DE DIFERENCIAS FINITAS EN 3D PH La Yesca Estudios Complementarios b) Análisis de los puntales sujetos a la acción de la cuña 49 MODELO DE DIFERENCIAS FINITAS EN 3D PH La Yesca Estudios Complementarios b) Análisis de los puntales sujetos a la acción de la cuña ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD CONSIDERANDO LA PRESENCIA DE LOS PUNTALES 50 25 MODELO DE DIFERENCIAS FINITAS EN 3D PH La Yesca Estudios Complementarios c) Distribución de fuerzas de la cuña en la pared de la caverna 51 PH La Yesca Estudios Complementarios 52 1 MODELO DE DIFERENCIAS FINITAS EN 3D PH La Yesca Estudios Complementarios d) Rotura de los puntales 53 MODELO DE DIFERENCIAS FINITAS EN 3D PH La Yesca Estudios Complementarios d) Rotura de los puntales 54 2 PH La Yesca Estudios Complementarios C O N C L U S I O N E S •Este estudio se llevó a cabo a modo de revisión de los sistemas de sostenimiento de proyecto y de las adecuaciones y refuerzos propuestos durante la obra. t d l d i f t d t l b •La revisión parte de un estudio geotécnico completo a nivel de excavaciones. •Todas las consideraciones geológicas y geotécnicas han sido consensuadas con los técnicos de CFE •La revisión de los sistemas que conforman el sostenimiento, así como otros elementos estructurales propuestos (puntales de acero), han sido estudiados tanto a nivel tenso‐ deformacional, como en su interacción con cuñas potencialmente inestables •Los parámetros en los que se basan los análisis numéricos se obtuvieron a partir de técnicas de estimación basadas en observaciones de campo y en resultados de laboratorio Las cuñas en cuanto a geometría como en tamaño han sido definidas a laboratorio. Las cuñas, en cuanto a geometría como en tamaño, han sido definidas a partir de un análisis riguroso de la estructura del macizo rocoso •Para los dos niveles de cálculo (tenso‐deformacional y cuñas) se han realizado análisis de sensibilidad tratando de abarcar los espectros más amplios posibles de variación de las condiciones geotécnicas que pudieran aparecer en las cavernas 55 PH La Yesca Estudios Complementarios C O N C L U S I O N E S Respecto a los análisis de cuñas, a pesar de que, geométricamente, se han presentado estructuras similares, las que se han definido para este estudio, continúan siendo t t i il l h d fi id t t di ti ú i d hipotéticas, debido sobre todo a que las excavaciones no han alcanzado los niveles con los que se han realizado los análisis. Las cuñas están basadas en datos reales, incluyendo fallas presentes en las cavernas y sistemas de fracturamiento bien conocidos, no obstante, la probabilidad de que se lleguen a presentar en la forma y dimensiones que se plantearon en este estudio, sigue siendo una incógnita. De cualquier manera, en un análisis de esta naturaleza y en los tiempos en lo que se realizó, la única manera de realizar una revisión de los sostenimientos es basándose en hipótesis; eso sí, lo mejor fundamentadas posible. De momento y, de acuerdo con todo lo que se ha observado en las excavaciones de casa de máquinas y galería de oscilación, es posible decir que los diseños de proyecto siguen siendo los adecuados y una vez terminadas las excavaciones del banqueo 1 de la casa de máquinas se observa una tendencia de las fallas a acuñarse y a mejorar sus condiciones. Además, en zonas puntuales donde se han detectado condiciones más desfavorables que las previstas en diseño, se han implementado refuerzos adicionales de manera oportuna por recomendación de CFE. 56 3 PH La Yesca Estudios Complementarios C O N C L U S I O N E S Los análisis de cuñas presentados en este informe no pretenden ser alarmistas sino representar una guía que permita contar con parámetros y bases de comparación para t í it t á t b d ió establecer niveles de riesgo potencial en caso de que se observen o se midan condiciones especialmente desfavorables para la estabilidad de las cavernas. También pueden coadyuvar a definir en qué momento se debe plantear la posibilidad de reforzar los sostenimientos A la fecha de entrega de este documento se han realizado comparaciones entre los datos de deformación medidos en los extensómetros de barra y los resultados de los análisis y es posible decir que se está dentro del rango medido. No obstante hace falta que se excave y se instrumente más para alcanzar el grado de refinamiento deseable en los análisis. Finalmente, se considera importante mencionar que este trabajo representa una fase de aprendizaje fundamental para sucesivos estudios. Y que el nivel de aproximación al comportamiento real de las estructuras subterráneas deberá ir mejorando conforme continúen los análisis y se tengan más datos geotécnicos y de instrumentación 57 PH La Yesca Estudios Complementarios R E C O M E N D A C I O N E S Respecto a los anclajes: Continuar con la implementación oportuna de estos sistemas; verificar que la malla electrosoldada se integre bien a los cabezales y que queden bien apoyados contra el borde de las excavaciones; continuar el exhaustivo seguimiento d lb d d l i i l h i i i geológico de las estructuras, como hasta ahora se ha llevado y seguir estudiando todas las posibles combinaciones de discontinuidades que puedan llegar a formar cuñas peligrosas; continuar con la revisión estructural de estos elementos. Respecto al concreto lanzado: posiblemente, cuando las excavaciones tengan una altura considerable, se deberá conseguir una implementación de las tres capas de lanzado y la colocación de la malla con una mayor premura que la que hasta ahora se ha venido practicando, dejando pasar menos tiempo y/o distancia al frente antes de completar este sistema. Respecto a los puntales: de llegar a implementarse este sistema, no se recomienda de ninguna manera considerar la posibilidad de que sustituya a ninguno de los elementos del sostenimiento de proyecto, ni en cantidad, ni en patrones de colocación. Los puntales pueden servir de elemento adicional de seguridad, pero no alternativo a lo que hasta ahora se tiene diseñado. Por otro lado, si se colocaran los puntales sería muy recomendable que contaran con un sistema de liberación de esfuerzos como los que suelen emplearse en excavaciones urbanas con pantallas. Adicionalmente pueden contar con células de presión para medir el nivel de esfuerzos al que están sometidos. Estos sistemas pueden ser automáticos y fáciles en cuanto a la recolección de datos 58 4 PH La Yesca Estudios Complementarios 59 PH La Yesca Estudios Complementarios Estudio geotécnico y numérico de las condiciones de las excavaciones subterráneas condiciones de las excavaciones subterráneas Fermín Sánchez Grupo de Asesores Externos en Geología y Geotecnia TÚNELES DE ASPIRACIÓN 60 5 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios 61 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Falla Gris 62 6 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Falla Gris 63 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Falla Gris 64 7 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Falla Gris 65 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Maqueta digital 66 8 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Maqueta digital 67 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Maqueta digital 68 9 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Maqueta digital 69 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Maqueta digital 70 10 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Modelo General 71 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Material de Falla Pilar 72 11 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios 73 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios 74 12 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Sostenimiento 75 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Sostenimiento 76 13 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Procedimiento constructivo 77 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Procedimiento constructivo 78 14 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios 79 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Capacidad de carga de las columnas 80 15 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Modelo General 81 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Calendarización del modelo 82 16 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios 83 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Modelo General 84 17 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios RESULTADOS AL FINAL DE LA EXCAVACIÓN AL FINAL DE LA EXCAVACIÓN DE LOS TÚNELES 85 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios RESULTADOS AL FINAL DE LA EXCAVACIÓN AL FINAL DE LA EXCAVACIÓN DE LOS TÚNELES 86 18 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios RESULTADOS AL FINAL DE LA EXCAVACIÓN AL FINAL DE LA EXCAVACIÓN DE LOS TÚNELES 87 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios RESULTADOS AL FINAL DE LA EXCAVACIÓN AL FINAL DE LA EXCAVACIÓN DE LOS TÚNELES 88 19 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios RESULTADOS AL FINAL DE LA EXCAVACIÓN AL FINAL DE LA EXCAVACIÓN DE LOS TÚNELES 89 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios RESULTADOS AL FINAL DE LA EXCAVACIÓN AL FINAL DE LA EXCAVACIÓN DE LAS CAVERNAS 90 20 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios RESULTADOS AL FINAL DE LA EXCAVACIÓN AL FINAL DE LA EXCAVACIÓN DE LAS CAVERNAS 91 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios RESULTADOS AL FINAL DE LA EXCAVACIÓN AL FINAL DE LA EXCAVACIÓN DE LAS CAVERNAS 92 21 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios RESULTADOS AL FINAL DE LA EXCAVACIÓN AL FINAL DE LA EXCAVACIÓN DE LAS CAVERNAS 93 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios RESULTADOS AL FINAL DE LA EXCAVACIÓN AL FINAL DE LA EXCAVACIÓN DE LAS CAVERNAS 94 22 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios RESULTADOS AL FINAL DE LA EXCAVACIÓN AL FINAL DE LA EXCAVACIÓN DE LAS CAVERNAS 95 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios RESULTADOS AL FINAL DE LA EXCAVACIÓN AL FINAL DE LA EXCAVACIÓN DE LAS CAVERNAS 96 23 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios RESULTADOS AL FINAL DE LA EXCAVACIÓN AL FINAL DE LA EXCAVACIÓN DE LAS CAVERNAS 97 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios RESULTADOS AL FINAL DE LA EXCAVACIÓN AL FINAL DE LA EXCAVACIÓN DE LAS CAVERNAS 98 24 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Malla de detalle con interface Mohr‐Coulomb 99 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Malla de detalle con interface Mohr‐Coulomb 100 25 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Malla de detalle con interface Mohr‐Coulomb Esquema de excavación de proyecto 101 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Malla de detalle con interface Mohr‐Coulomb Esquema de excavación de proyecto 102 1 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Malla de detalle con interface Mohr‐Coulomb Esquema de excavación de proyecto 103 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Malla de detalle con interface Mohr‐Coulomb Esquema de excavación de proyecto 104 2 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Malla de detalle con interface Mohr‐Coulomb Esquema de excavación de proyecto 105 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Malla de detalle con interface Mohr‐Coulomb Esquema de excavación de proyecto 106 3 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Malla de detalle con interface Mohr‐Coulomb Esquema de excavación de proyecto 107 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Malla de detalle con interface Mohr‐Coulomb Esquema de excavación modificado 108 4 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Malla de detalle con interface Mohr‐Coulomb Esquema de excavación modificado 109 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Malla de detalle con interface Mohr‐Coulomb Esquema de excavación modificado 110 5 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Malla de detalle con interface Mohr‐Coulomb Esquema de excavación modificado 111 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Malla de detalle con interface Mohr‐Coulomb Esquema de excavación modificado 112 6 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Malla de detalle con interface Mohr‐Coulomb Esquema de excavación modificado 113 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios C O N C L U S I O N E S La excavación de los túneles de aspiración es delicada. El macizo es de calidad regular pero existen en esta zona estructuras de falla mayores que pueden poner en riesgo la estabilidad, sobretodo del pilar central entre los túneles. d i l t bilid d b t d d l il t l t l tú l El sistema de fallas Pilar además de contener entre sus planos principales bandas de roca débil, tiene una orientación desfavorable para la estabilidad del pilar central. Además, esta situación puede verse agravada por la presencia de otras fallas de dirección tal que favorezcan la formación de cuñas. Las esquinas que formarán los túneles de aspiración con la casa de máquinas y galería de oscilación serán zonas de grandes concentraciones de esfuerzos. La construcción de las reposiciones de concreto sin duda contribuirán a dar una mayor estabilidad a las esquinas de los túneles y las cavernas. El Pilar central debido a su esbeltez y a la redistribución de esfuerzos producto de la El Pilar central, debido a su esbeltez y a la redistribución de esfuerzos producto de la excavación de los túneles estará sujeto a grandes esfuerzos verticales y escasos esfuerzos horizontales. Esta gran componente desviadora provocará inevitablemente que el pilar entre en régimen plástico, situación que por sí sola no tiene que ser grave. Sin embargo, la presencia de zonas de debilidad orientadas desfavorablemente (fallas Pilar) podría comprometer la estabilidad de dicho pilar. 114 7 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios R E C O M E N D A C I O N E S Construir oportunamente las reposiciones de concreto. El concreto debería alcanzar los 300 kg/cm² en poco tiempo. Implementar el procedimiento constructivo propuesto por GEIC que consiste en avances cortos de las ampliaciones laterales, colando muros de concreto armado contra los hastiales y colocando anclajes lado a lado, atravesando completamente el pilar central y sujetándolos contra dichos muros. La excavación de las ampliaciones laterales pueden incluso realizarse bajo un esquema de “bataches”, dejando pilares de roca de al menos 3 metros entre éstos. El mismo esquema de “bataches” se puede implementar para los banqueos. Llevar un estricto control del comportamiento deformacional mediante la oportuna i l implementación de instrumentos. t ió d i t t Se pieden colocar celdas de presión en los cabezales de las anclas para medir los empujes del pilar o strain gauges en las barrras para medir sus deformaciones. 115 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Unidad 1 al 17 de septiembre 2009 116 8 Estudio túneles de aspiración PH La Yesca Estudios Complementarios Unidad 2 al 26 de noviembre 2009 117 CONDICIONES DE ESTABILIDAD DE LAS EXCAVACIONES Y RESPUESTA ESTRUCTURAL DEL REVESTIMIENTO DE LA OBRA DE CONDUCCIÓN DEL. P.H. LA YESCA, JALISCO‐NAYARIT Underground excavation stability conditions and structural response of the penstocks lining for the “La Yesca” Hidro‐Power Complex in Jalisco and Nayarit states, Mexico. Fermín Sánchez Reyes y Joan Mestre Morales p Grupo de asesores externos del P.H. La Yesca 9 Estudios realizados en el año 2009 como apoyo a las obras subterráneas del Proyecto Hidroeléctrico La Yesca Primera parte: Bases geológico geotécnicas para realizar Bases geológico‐geotécnicas para realizar simulaciones matemáticas en tres dimensiones • establecer un pronóstico razonable del razonable del comportamiento de las excavaciones • en caso necesario, emitir recomendaciones para el refuerzo de las excavaciones Segunda parte: revisión estructural del revestimiento de concreto armado de las tuberías • verificar el desempeño estructural para el diseño de proyecto • en caso necesario, emitir recomendaciones para el refuerzo de las estructuras CONTEXTO GEOLÓGICO: Litología y estructuras mayores Materiales dominantes: rocas piroclásticas tobáceas e ignimbríticas del Terciario: Toba lítica (Tmtl); Ignimbrita riodacítica porfídica (Tmid); Ignimbrita riodacítica fluidal (Tmird) Pseudoestratificación y familias de fallas y fracturas Estructuras sujetas a episodios de activación y reactivación; fases de cizallamiento que producen alteraciones, argilitización, brechas cataclásticas y posteriormente alteración hidrotermal 10 CONTEXTO GEOLÓGICO: litología y estructuras mayores Las fallas Tap‐1 y Tap‐ 2 se consideran fronteras para fines de análisis Posición de la falla Tap‐1 en la bocatoma de la Unidad 2. Alto de la falla Crucero‐Pitayo en el interior del nicho de la Unidad 2 La falla Crucero La falla Crucero‐Pitayo Pitayo se considera una estructura mayor con una importante banda de influencia Muestra de arcilla pura del relleno de la falla Crucero‐Pitayo Plano de la falla Crucero‐Pitayo en el que se muestra la arcilla de relleno con fragmentos de brecha. CONTEXTO GEOLÓGICO: Litología y estructuras mayores Zona de confluencia de las fallas Tap‐1 y Crucero‐Pitayo Fotografía del nicho en el que se aprecia el muro de concreto y los anclajes. Falla típica Grietas en el revestimiento y marco metálico doblado por las presiones sobre el túnel de acceso al nicho de la Unidad 2. 11 CONTEXTO GEOLÓGICO: Litología y estructuras mayores Socavón en el contrapozo de la Unidad 2. Las malas condiciones geotécnicas, en especial para la tubería 2 podrían comprometer la estabilidad de las excavaciones Planos arcillosos de falla asociados al sistema Crucero‐Pitayo en la cota 460 de la Unidad 1 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS, SOSTENIMIENTOS Y REVESTIMIENTOS SOSTENIMIENTO Y REVESTIMIENTO 12 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS, SOSTENIMIENTOS Y REVESTIMIENTOS SOSTENIMIENTOS MODIFICADOS Tubería 1. Profundizar el anclaje de fricción de proyecto hasta 9 m de longitud e inclinar las anclas 45° descendentes respecto a la horizontal, lo anterior, a partir de la elevación +460.5 y mantener este anclaje hasta 10 m por debajo de la falla Crucero‐Pitayo (elevación +445 aproximadamente), el cual podría ampliarse del resultado de las inspecciones de campo de la Supervisión y nuestra área. Tubería 2. Ampliar la sección de excavación a 9.46 m y ampliar el espesor de concreto lanzado de 12 cm a 30; colocar una parrilla de acero de refuerzo consistente en varillas del # 8 @ 25 cm en ambas direcciones MODELO GEOMECÁNICO Mapas de calidad RMR de las zonas de influencia de las excavaciones 13 MODELO GEOMECÁNICO Mapas de calidad RMR de las zonas de influencia de las excavaciones MODELO GEOMECÁNICO Modelo tridimensional Consideraciones: • Topografía • Litología • Estructuras • Geometría • Estados tensionales iniciales • Procesos constructivos • Sostenimientos • Leyes constitutivas 14 MODELO GEOMECÁNICO Modelo tridimensional Consideraciones: • Topografía • Litología • Estructuras • Geometría • Estados tensionales iniciales • Procesos constructivos • Sostenimientos • Leyes constitutivas MODELO GEOMECÁNICO Modelo tridimensional Consideraciones: • Topografía • Litología • Estructuras • Geometría • Estados tensionales iniciales • Procesos constructivos • Sostenimientos • Leyes constitutivas 15 MODELO GEOMECÁNICO Modelo tridimensional MODELO GEOMECÁNICO Parámetros geotécnicos Parámetros basados en: • Ensayos in situ • Ensayos de laboratorio • Clasificaciones geomecánicas 16 ANÁLISIS DE LAS EXCAVACIONES Modelo de análisis Datos sobre los análisis: • 591,000 elementos isoparamétricos de medio continuo • 613,000 nodos 613 000 nodos • Elementos shell • Elementos anchor • Elementos interface • Computadora: 12 GB RAM + 8 procesadores Intel Core (TM) de 2.7 GHz trabajando en paralelo • Análisis completo 5 días Malla de diferencias finitas ANÁLISIS DE LAS EXCAVACIONES Modelo de análisis Malla de diferencias finitas Detalle de las bocatomas 17 ANÁLISIS DE LAS EXCAVACIONES Modelo de análisis Malla de diferencias finitas Detalle de las tuberías ANÁLISIS DE LAS EXCAVACIONES Simulación de las excavaciones 18 ANÁLISIS DE LAS EXCAVACIONES Simulación de las excavaciones ANÁLISIS DE LAS EXCAVACIONES Simulación de las excavaciones 19 ANÁLISIS DE LAS EXCAVACIONES Resultados para la fase de excavación a) Excavación bajo el esquema de sostenimiento de proyecto Dos esquemas de sostenimientos y dos casos de coeficiente de esfuerzo lateral k0 (k0 = 0.85 y k0 = 1.2), bajo la hipótesis de que dentro de este rango se encuentra la relación de esfuerzos en el macizo rocoso. Resultados de desplazamientos totales ANÁLISIS DE LAS EXCAVACIONES Resultados para la fase de excavación Revisión estructural de los sostenimientos de proyecto Fuerzas axiales en el C. L. Momentos en el C. L. 20 ANÁLISIS DE LAS EXCAVACIONES Resultados para la fase de excavación Revisión estructural de los sostenimientos de proyecto Unidad ‐ 1 Unidad ‐ 2 ANÁLISIS DE LAS EXCAVACIONES Definición de un Factor de Seguridad para el concreto lanzad o Factor de Seguridad de un elemento de concreto lanzado como la relación entre la resistencia disponible y las solicitaciones a las que está sujeto. Se calcula como la suma de la distancia recorrida (da ), en términos de momento y fuerza axial más la resistencia mínima remanente: min i da dr F .S . min dr min dr F resist . Pult Pact M ult M act 2 2 1/ 2 Pult , M ult F resist . fck , t , cu , s , Ec , f1eq , f2eq , f3eq d rmini resist . Pult Pult ,F ; P ult M ult M ult Pult , F resist . Diagrama de capacidad de carga 21 ANÁLISIS DE LAS EXCAVACIONES Definición de un Factor de Seguridad para el concreto lanzado Mapas de factor de seguridad en función de la profundidad y la litología Unidad ‐ 1 Unidad ‐ 2 ANÁLISIS DE LAS EXCAVACIONES Resultados para la fase de excavación Revisión estructural de los sostenimiento modificado 22 ANÁLISIS DE LAS EXCAVACIONES Resultados para la fase de excavación Revisión estructural de los sostenimiento modificado ANÁLISIS DE LAS EXCAVACIONES Resultados para la fase de excavación CONCLUSIONES SOBRE EL ANÁLISIS DE LA EXCAVACIÓN •Las excavaciones verticales resultan menos agresivas al medio rocoso que las horizontales. •La incertidumbre que puede existir en cuanto a la relación entre esfuerzos iniciales horizontales y verticales (k0) no tiene grandes repercusiones en el comportamiento de la excavación vertical a nivel deformacional debido a que en las proximidades de la ésta la componente principal mayor será la vertical (la cual no se ve afectada por esta relación) mientras que la componente horizontal (radial) es prácticamente nula por a la condición de frontera impuesta por la excavación. •Los esfuerzos compresivos que transmite el terreno al anillo del sostenimiento aumentan con la profundidad y pueden llevar al concreto lanzado a estados de rotura por compresión en las partes más bajas de la rama vertical. •Los momentos que se generan en los anillos del sostenimiento, aunque escasos, obedecen a la asimetría de rigideces que existe entre uno y otro lado de las excavaciones en algunas zonas. •Se definió un nuevo concepto de factor de seguridad para el concreto sujeto a flexocompresión que permite establecer niveles de seguridad relacionados con la profundidad y la litología así como rangos permite establecer niveles de seguridad relacionados con la profundidad y la litología así como rangos de asimetría en los distintos tramos de las excavaciones. •De acuerdo con las condiciones impuestas en los análisis, el anillo de concreto lanzado definido en el proyecto podría entrar en rotura a partir de ciertas profundidades, especialmente en el caso de la Unidad 2. Con los aumentos en el sostenimiento propuestos por los técnicos de CFE se logró obtener resultados de análisis que se encuentran dentro de un nivel a de seguridad adecuado. 23 REVISIÓN ESTRUCTURAL DEL REVESTIMIENTO DEFINITIVO Análisis para distintas condiciones de operación del embalse Modelo con acoplamiento hidromecánico a) llenado del embalse hasta la cota de las bocatomas: saturación del medio detrás de la pantalla impermeable con tuberías vacías; p p ; b) llenado del embalse hasta el NAMINO con tuberías vacías; c) llenado del embalse hasta la elevación de cresta vertedora (556) con tuberías vacías; d) vaciado del embalse hasta el NAMINO con tuberías vacías; e) llenado de tuberías con el embalse en el NAMINO; llenado de tuberías con el embalse en el NAMINO; f) llenado del embalse hasta el NAMO con tuberías en operación; g) vaciado súbito de tuberías con embalse en el NAMO. REVISIÓN ESTRUCTURAL DEL REVESTIMIENTO DEFINITIVO Modelación de las condiciones iniciales Modelación de las condiciones hidráulicas para la operación Atraques en los codos inferiores Presiones hidrostáticas en el medio (embalse en el NAMO) 24 REVISIÓN ESTRUCTURAL DEL REVESTIMIENTO DEFINITIVO COMPORTAMIENTO DEL MODELO Subida del embalse hasta plataforma de obra de toma Subida del embalse por encima de la plataforma con tuberías vacías Saturación del medio + presiones externas Compresión tuberías cierre y momentos debidos a asimetría del confinamiento ´h ↓ (tensión ≤ ´T); P > h Pasada la plataforma Desequilibrio de ´por las condiciones de frontera Aguas arriba ´ 0 ; Aguas abajo ´h ↓ y P en el anillo Llenado de las tuberías Presiones en el interior del tubo expansión ´h ↑ (función de la rigidez del macizo) Fuerzas axiales en el anillo Na ↓ (incluso tensión) Subida del embalse con tuberías en operación Aumenta expansión; h P ´´h = compresión Aumentan Fuerzas axiales de tensión en el anillo (en algunas zonas) Vaciado súbito de las tuberías con embalse alto ´ = P = 0 Na (grande) y Momentos ↓ REVISIÓN ESTRUCTURAL DEL REVESTIMIENTO DEFINITIVO RESULTADOS PARA EL ESQUEMA DE PROYECTO a) Sentido Transversal 25 REVISIÓN ESTRUCTURAL DEL REVESTIMIENTO DEFINITIVO RESULTADOS PARA EL ESQUEMA DE PROYECTO a) Sentido Transversal Fuerzas axiales y momentos flexionantes en el revestimiento en el sentido transversal y para el embalse en el NAMO y tuberías en operación. REVISIÓN ESTRUCTURAL DEL REVESTIMIENTO DEFINITIVO RESULTADOS PARA EL ESQUEMA DE PROYECTO b) Sentido Longitudinal 26 REVISIÓN ESTRUCTURAL DEL REVESTIMIENTO DEFINITIVO RESULTADOS PARA EL ESQUEMA DE PROYECTO b) Sentido Longitudinal Fuerzas axiales y momentos flexionantes en el revestimiento en el sentido longitudinal y para el embalse en la cota 494 y tuberías vacías. REVISIÓN ESTRUCTURAL DEL REVESTIMIENTO DEFINITIVO PROPUESTA DE REFUERZO ESTRUCTURAL a) Sentido Transversal f‘c de 250 kg/cm2 300 kg/cm2 Varilla 1” @ 25 cm Varilla 1” @ 20 cm 27 REVISIÓN ESTRUCTURAL DEL REVESTIMIENTO DEFINITIVO PROPUESTA DE REFUERZO ESTRUCTURAL b) Sentido Longitudinal f‘c de 250 kg/cm2 300 kg/cm2 Varilla 3/4” @ 30 cm Varilla 1” @ 25 cm REVISIÓN ESTRUCTURAL DEL REVESTIMIENTO DEFINITIVO PROPUESTA DE REFUERZO ESTRUCTURAL c) Atraques en codos inferiores 28 REVISIÓN ESTRUCTURAL DEL REVESTIMIENTO DEFINITIVO CONCLUSIONES DE LA REVISIÓN ESTRUCTURAL DEL REVESTIMIENTO DEFINITIVO • Las malas condiciones geotécnicas y en especial los contrastes de rigidez tendrán una influencia importante en el trabajo estructural durante la operación del embalse. • Por a las condiciones de frontera de las obras (topografía y posición del plano de estanqueidad) las oscilaciones del embalse pueden producir variaciones en los estados de esfuerzos efectivos en las cercanías de las tuberías. • Los esfuerzos iniciales en el macizo no tendrán demasiada influencia en la respuesta de las tuberías. • Existe la posibilidad de que en algunos tramos la capacidad de carga de las tuberías pudiera estar comprometida. • Existe la posibilidad de que la resistencia de la sección en el sentido longitudinal sea insuficiente, especialmente por la generación de fuerzas de tensión y momentos de magnitud importante. • Se considera fundamental el refuerzo en este sentido, especialmente en las zonas de codos y el aumento de la resistencia nominal del concreto. • Con la nueva sección resistente, resistente se obtuvieron resultados adecuados • El aumento en la capacidad de carga propuesto no representará sobrecostos importantes ni problemas de factibilidad técnica para su implementación. • Es fundamental realizar un diseño adecuado de los atraques para los codos inferiores. CONDICIONES DE ESTABILIDAD DE LAS EXCAVACIONES Y RESPUESTA ESTRUCTURAL DEL REVESTIMIENTO DE LA OBRA DE CONDUCCIÓN DEL. P.H. LA YESCA, JALISCO‐NAYARIT Underground excavation stability conditions and structural response of the penstocks lining for the “La Yesca” Hidro‐Power Complex in Jalisco and Nayarit states, Mexico. Fermín Sánchez Reyes y Joan Mestre Morales Grupo de asesores externos del P.H. La Yesca Los estudios realizados han supuesto un largo, CONCLUSIONES FINALES pero fructífero, proceso de aprendizaje en el que, posiblemente, lo más difícil ha sido dar un sentido práctico a los modelos y a los cálculos, logrando que las complejas herramientas numéricas con las que se cuenta, sean capaces de proporcionar soluciones coherentes dentro de un contexto de gran complejidad geológica y constructiva. También han contribuido a comprender mejor algunos fenómenos ligados a la naturaleza de estas obras y a desarrollar metodologías de cálculo eficientes y realistas. Durante la construcción ha sido necesario emitir recomendaciones ante situaciones imprevistas, a medida que han avanzado las excavaciones. Los análisis realizados durante esta campaña de estudios han dado la posibilidad de justificar dichas recomendaciones y complementarlas con un mejor entendimiento de sus implicaciones: los modelos de análisis se han basado en levantamientos geológicos y geotécnicos rigurosos, realizados en los sitios precisos en los que ha sido necesario ampliar la comprensión del comportamiento de las excavaciones. Además, con la cartografía geotécnica y los ensayos realizados en el entorno y el interior de las obras se pudo diseñar un modelo geotécnico tridimensional completo que permitió alcanzar un nivel de certidumbre respecto a los parámetros de cálculo, que en pocas ocasiones se consigue. Al final, lo que destaca como invaluable un grupo de especialistas en diversas disciplinas de la ingeniería del terreno compartiendo su experiencia, conocimientos y habilidades, durante prolongadas sesiones técnicas en las que se analiza y discute la fenomenología de problemas complejos y las alternativas de solución, para finalmente definir los procedimientos que conduzcan a la obra a una conclusión exitosa. 29 CONDICIONES DE ESTABILIDAD DE LAS EXCAVACIONES Y RESPUESTA ESTRUCTURAL DEL REVESTIMIENTO DE LA OBRA DE CONDUCCIÓN DEL. P.H. LA YESCA, JALISCO‐NAYARIT Underground excavation stability conditions and structural response of the penstocks lining for the “La Yesca” Hidro‐Power Complex in Jalisco and Nayarit states, Mexico. ¡MUCHAS GRACIAS! Fermín Sánchez Reyes Joan Mestre Morales 30
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