Estudio del fallo por estabilidad del talud aguas abajo de la presa Lebrije: Análisis y Solución. Autores: MSc. Ing. Rolando Armas Novoa Profesor Auxiliar.

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1 Estudio del fallo por estabilidad del talud aguas abajo de la presa Lebrije: Análisis y Solución. Autores: MSc. Ing. Rolando Armas Novoa Profesor Auxiliar Profesor Auxiliar Facultad de Ingeniería Civil. ISPJAE

2 La presa Lebrije ubicada en la actual provincia de Sancti Spiritus, sobre el río Jatibonico del Sur, fue diseñada por técnicos soviéticos pertenecientes al INRH de la entonces provincia de Santa Clara y construida en los años 1968-70

3 Las características principales del proyecto eran según Plano General de 4/12/73 b Cota del NAM -------------------------------- 108.00 m b Cota del NAN -------------------------------- 102.00 m b Cota del NVM --------------------------------- 82.00 m b Cota de Corona ------------------------------ 110.00 m b Cota bermas aguas abajo ---------------- 95.00 y 83.00 m b Ancho de la Corona ------------------------- 6.00 m b Longitud de la Corona ---------------------- 560 m b Talud aguas arriba, según la sección - 1:2.20; 1:3.00 y 1:250 b Talud aguas abajo, según la sección -- 1:2.50 y 1:3.00 b Altura de la presa ---------------------------- 36.00 m

4 De acuerdo a las secciones transversales mostradas en el referido Plano General del Conjunto Hidráulico Lebrije del año 1973, el proyecto ejecutado no tuvo en cuenta medidas contra filtraciones, ya que el dentellón diseñado se apoyaba sobre una “caliza arenisca gris, dura, agrietada”.

5 En el año 1980 se decidió el “recrecimiento” de la presa Lebrije, a fin de elevar el NAN de la cota 102.00 m a la cota 104.40 m y con ello entregar agua por gravedad en suministro adicional al combinado de papeles “Panchito Gómez Toro”, en Jatibonico. Este recrecimiento consistió en elevar la cota del cimacio de hormigón del vertedor y construir el parapeto.

6 El recrecimiento implicaba cambios en los parámetros siguientes de la presa : b Cota de la parte superior del parapeto ------ 111.20 m b Cota del NAM --------------------- ------------109.15 m b Cota del NAN ---------------------------------- 104.40 m b Cota del NVM ---------------------------------- 92.40 m b Volumen Total del Embalse --------------- 128.60 Hm 3 b Ancho del aliviadero ------------------------ 12.00 m b Cota de corona del vertedor -------------- 104.40 m

7 En 1981 y 1984 se hicieron investigaciones ingeniero-geológicas con vistas a esclarecer el comportamiento mecánico de los suelos y mostrar que la cortina seguía siendo estable, ante el deslizamiento de los taludes y el sifonamiento mecánico, después del recrecimiento del nivel de aguas normales. Los resultados de estas investigaciones y los cálculos realizados por los especialistas arrojaron que la presa Lebrije era estable para las nuevas condiciones que imponía el “recrecimiento”.

8 Entre 1987 y 1989 se ejecutó el Proyecto de Equipos de Medición y Control de la presa Lebrije, consistente entre otras cosas, de 10 piezómetros. En el momento que se perforó la cala para colocar el piezómetro No 10, sobre la berma, se encontró que el agua se elevaba sobre la boca de la cala, por lo que fue imposible la colocación del mismo, siendo necesario sellar la perforación. Julio 1989

9 El 2 de junio de 1988 se produjo un primer deslizamiento en la sección transversal donde se encuentra la torre de toma, ocurrido a partir de la corona. La explicación de este fallo local del talud aguas abajo por los especialistas fue el comienzo de lluvias después de períodos largos de sequía, que provocan la saturación del suelo a través de las grietas de retracción. Esta falla fue reparada inmediatamente.

10 “En la úlima quincena del mes de junio del 2002 y después de varios días ininterrumpidos de lluvia, que llevaron al embalse de la presa Lebrije a cotas nunca antes alcanzadas, se produjeron dos averías o deslizamientos, que motivó la evacuación de más de 40000 personas durante una semana y una gran movilización de recursos y medios para efectuar los primeros trabajos de reparación y salvamento”. (Informe Oficial del INRH)

11 “El primero de estos deslizamientos se produjo en el talud aguas abajo, entre la corona de la presa (cota 110 msnm), a unos 5m por debajo de ella, y la berma inmediata inferior en cota 95 msnm, que llegó a tener un ancho de unos 40 m como máximo. Este deslizamiento se estimó local y de poca profundidad y su desarrollo posterior fue prácticamente nulo y sin manifestaciones de salida de filtraciones”. (Informe Oficial del INRH) (Informe Oficial del INRH)

12 “El segundo deslizamiento, que se produjo dos días después, tuvo un carácter más peligroso por la envergadura del mismo y por ser acompañado de la salida de una filtración concentrada en un punto del cuerpo de la presa. ” (Informe Oficial del INRH)

13 “Luego de estudiar la documentación de investigaciones geológicas hechas en el lugar (con anterioridad al fenómeno) y de oir los criterios de los especialistas relacionado con esta obra y visitar la misma, consideramos que el flujo de aproximadamente entre 5 y 10 l/s se debe a filtraciones a través de la capa superior de la roca base (parte superior del cimiento) que se encuentra fuertemente agrietada; sin embargo, esta suposición se aclarará con los resultados de la investigación Ingeniero-Geológica”. (Informe Oficial del INRH)

14 El fallo por estabilidad del talud aguas abajo de la presa Lebrije, ocurrido en junio del 2002, a más de 30 años de construida la misma y más de 20 años de recrecida, hacían indicar que nos encontrábamos ante la presencia de una elevación de la línea de corriente superior producto de la oclusión de los drenes interiores, que según las secciones transversales del Plano General del Conjunto Hidráulico Lebrije, de fecha 4 de Diciembre de 1973, estaba constituido por drenajes de pie de talud y en la zona del cauce acompañado de un prisma de piedra.

15 Construcción de la banqueta estabilizadora. (Solución provisional) Esta solución de construcción de banqueta y drenaje es la más económica que los ingenieros tienen para estabilizar un deslizamiento de talud. Por la primicia del caso, ya que se movilizaron más de 35 000 personas del municipio Jatibonico ante el peligro de pérdida de vidas humanas, no fue posible un estudio de la causa que originó el fallo por deslizamiento y, por ende, el diseño de una banqueta estable en lo que resta de vida útil de la presa. La construcción de la banqueta con los drenajes correspondientes tenía carácter provisional, hasta tanto se demuestre que la misma puede ser estable de por vida o deba ser reconstruida para garantizar la estabilidad.

16 Teniendo en cuenta que la reparación de la presa no podía esperar por los estudios Ingenieros-Geológicos para determinar las características físico-mecánicas del suelo en el momento del fallo, fue necesario definir algunas consideraciones o hipótesis sobre la posible posición de la superficie de falla y los parámetros de resistencia al corte a lo largo de la misma, así como realizar los cálculos de estabilidad correspondientes.

17 1. Partiendo de los puntos de inicio y final del bloque deslizante en la sección transversal antes del fallo, se determinaron varias superficies de fallas circulares supuestas. 2. Se consideró, tomando en cuenta que existieron filtraciones o salidas de agua en el talud, entre las cotas 101 y 102, que el cuerpo de la presa estaba saturado cuando las cotas en el embalse eran superiores a la 104. Hipótesis y consideraciones:

18 4. Se asumieron los valores anteriores como los valores críticos de resistencia a cortante, procediéndose a calcular la estabilidad de la presa una vez construida la banqueta y considerando los drenes ocluidos, para cuando la cota de agua en el embalse, NAN, fuera de 104, obteniéndose factores de seguridad por Fellenius de 0.92 y por Bishop de 0.98. Sin embargo, cuando se considera un nivel de agua en el embalse en cota 100 la presa sí es estable, ya que se alcanzan valores del factor de seguridad de 2.37 por Fellenius y 2.47 por Bishop. 3. Con las superficies de falla supuestas se realizaron cálculos computarizados, cuyos resultados dieron factores de seguridad cercanos a 1 o inferiores, cuando se asumieron valores de ángulo de fricción interna de 15º y cohesión entre 6,5 y 1 t/m 2. Hipótesis y consideraciones (continuación) :

19 Todos los cálculos anteriores fueron realizados por un grupo de trabajo de la Empresa de Investigaciones y Proyectos Hidráulicos de Villa Clara, que finalizaron con las siguientes conclusiones y recomendaciones.

20 Conclusiones 1. Consideramos que la medida de construcción de la banqueta es satisfactoria atendiendo que el NAN se encontrará en cota 100 msnm. 2. Además, teniendo en cuenta que hemos partido de algunos parámetros supuestos, en el caso de los suelos que se movieron, y la probabilidad de ser más heterogéneo los materiales que yacen naturalmente sobre la roca, se requiere de un estudio que aclare el cuadro ingeniero-geológico del lugar, incluyendo la causa de la subpresión aguas abajo de la cortina y el trayectoria de las filtraciones.

21 Recomendaciones 1. Construir lo antes posible la banqueta de contrapeso proyectado. 2. Hacer estudios ingenieros-geológicos que aclaren la causa de las filtraciones y el cuadro ingeniero-geológico general de la obra, con el fin de precisar las soluciones a tomar en el futuro“.

22 Paralelo a la construcción de la banqueta estabilizadora se decidió, por la dirección del INRH, construir un nuevo vertedor, pues hay que recategorizar la presa de acuerdo con la Regulación de Proyectos N° 001/91, pasando de Categoría 3 a Categoría 2. La cota 100, donde se colocó el mismo, se determinó por un cálculo hidroeconómico rápido, para una trasformación de avenida del 0,5 % de probabilidad y se comprobó para el 0,1 % de probabilidad. Sin dudas el vertedor contribuye a evitar futuros deslizamientos del talud aguas abajo, aunque se desaproveche un volumen de embalse de 40 millones de m 3 de agua.

23 En momentos de una visita efectuada a la presa Lebrije por asistentes al taller realizado en la Empresa de Investigaciones y Proyecto Hidráulicos de Villa Clara y la UNAICC, el 7 de noviembre del 2002, se pudo constatar que en la perforación realizada sobre la berma (cota 95), en el instante que se perforó el estrato rocoso del cimiento el agua emergió, en una tubería de 4” de diámetro, a más de 1 m por encima de la cota de la berma.

24 Este hecho mostró fehacientemente lo que ya se pronosticaba, de la existencia de altas presiones de poro en la base de la cortina, debido a la comunicación del agua del embalse a través del cimiento altamente permeable, constituido por rocas fracturadas, que el proyecto y la construcción no consideraron peligrosas para la estabilidad de la presa, ya que no tomaron medidas contra filtraciones, como se recomiendan en estos casos. Evidentemente la medida contra filtraciones, en el momento de la construcción, debió ser inyección.

25 Aplicación de la reingeniería.

26 La determinación de los parámetros de resistencia del suelo en el momento que se produce el fallo por estabilidad de un talud es extremadamente complejo y costoso, por lo difícil que se hace la toma de muestras inalteradas y por el desconocimiento de la superficie de falla real. En el caso del deslizamiento de junio del 2002 del talud aguas abajo de la presa Lebrije, debido al peligro de falla sucesivo que ponía en peligro la vida de miles de seres humanos, era necesario y urgente la reparación del talud, sin poder esperar a una investigación Ingeniero-Geológica como la requerida en estos casos. Es por ello que la construcción de una banqueta provisional con los drenajes correspondientes constituía la única solución rápida y económica, que los ingenieros tienen para estos casos.

27 Por todo lo anteriormente mencionado e independiente de las investigaciones Geológicas e Ingeniero-Geológicas realizadas, cuyos resultados se encuentran en el Capítulo 2 de este trabajo, hicimos uso de la reingeniería para determinar si la banqueta provisional construida constituye la solución definitiva para estabilizar el talud aguas abajo de la presa Lebrije, partiendo también de las nuevas condiciones de explotación a que se verá sometida la presa, con la construcción de un aliviadero en cota 100 que favorece la estabilidad de la misma.

28 Determinación de los parámetros de resistencia del suelo. Hipótesis y consideraciones: 1. El fallo lo originó las grandes lluvias que elevaron el nivel del embalse hasta la cota 107.56m y saturaron todo el material del talud. Suponemos un peso específico saturado de los suelos de 20 kN/m 3. 2. Debido a las rocas fracturadas (Aleurolita calcárea, Caliza dura, Argilita y Arenisca calcárea) que se encuentran en el cimiento, ya que el flujo de agua a través del mismo no fue interceptado por una medida contra filtraciones, se produce el movimiento del agua como un vaso comunicante, originando presiones de poro en todo el talud aguas abajo. Como si tuviera una línea de filtración horizontal a partir de la cota 107,56m.

29 3. Considerar un análisis en tensiones efectivas, estado de carga “operación” y que nos encontramos en un suelo sometido a presiones mayores que la de preconsolidación (por efecto de la compactación), por lo que la ecuación de resistencia al cortante viene dada por la correspondiente a un suelo “friccional puro”. 4. Considerar la presión neutra o presión de poro como la componente hidrostática en la base de la dovela, supuesta la superficie libre del agua como la superficie del talud. Determinación de los parámetros de resistencia del suelo. Hipótesis y consideraciones (continuación) :

30 Determinación de los parámetros de resistencia del suelo. Hipótesis y consideraciones (continuación) : 5. En el momento que se produjo el deslizamiento el factor de seguridad del círculo de falla fue menor que 1 y por tanto, podemos calcular la resistencia a cortante promedio a lo largo de dicha superficie de falla, a través de la expresión de Chugaev como: Para F CH = 1 tenemos:

31 donde: W= b( z) b: ancho de cada dovela. z: altura de la dovela de material saturado.

32 Teniendo en cuenta las hipótesis y conideraciones, anteriores procedimos a calcular el valor de la en diferentes superficies de fallas supuestas, todas pasando por el punto 1 y 2 del talud existente antes del deslizamiento y con centros en los puntos A, B, C, D, E y F que se encuentran sobre la normal en el punto medio de la cuerda 1-2 (punto inferior y superior del deslizamiento) (ver figura 3.1 y tabla 3.1 a 3.6). Los puntos 1 y 2 sobre el talud, constituyen las cotas donde la masa deslizante cortó el referido talud. El valor promedio calculado de la en los 6 círculos posibles fue de 0.445

33 Figura 3.1 Coordenadas de los puntos A (14,4; 26,4) B (16,0; 19,6) C (13,6; 25,6) D (14,0; 24,0) E (15,5; 22,8) F (14,5; 23,5)

34 Tabla 1 Cálculo de para círculo con centro en A (X A,Y A ) y R= 30m

35 Tabla 2 Cálculo de para círculo con centro en B (X B,Y B ) y R= 25.20m

36 Tabla 3 Cálculo de para círculo con centro en C (X C,Y C ) y R= 29m

37 Tabla 4 Cálculo de para círculo con centro en D (X D,Y D ) y R= 28m

38 Tabla 5 Cálculo de para círculo con centro en E (X E,Y E ) y R= 27.60m

39 Tabla 6 Cálculo de para círculo con centro en F (X F,Y F ) y R= 26.5m

40 Análisis de la estabilidad de la banqueta provisional con el uso de la reingeniería. Teniendo en cuenta lo mencionado en el capítulo 2, la banqueta es una solución provisional, por lo que era necesario investigar la causa que provocó el deslizamiento, a fin de, una vez conocida ésta, poder calcular si la misma constituye la solución definitiva, o sea, que garantice la estabilidad de la presa para toda su vida útil. Es por ello que se hace necesario calcular la estabilidad del talud aguas abajo considerando la sección con la banqueta construida y teniendo en cuenta en los cálculos la alta presión de poros que se origina en su base, que fue la causa del deslizamiento en el 2002.

41 Análisis de la estabilidad de la banqueta provisional con el uso de la reingeniería (continuación). Para calcular la estabilidad del talud aguas abajo se requiere de un proceso de tanteo, suponiendo círculos de falla posibles y calculando en cada uno el factor de seguridad. El talud se considera estable si todos los círculos de falla posible tienen factores de seguridad mayores que el que establece la norma para esta presa, considerada de Categoría 2. La ubicación de los círculos críticos y los radios críticos definidos como aquellos que originan el factor de seguridad mínimo se investigaran haciendo uso del método de Ostrosvski, utilizado en nuestro país.

42 Los cálculos del factor de seguridad del talud con la banqueta se realizaron haciendo uso del método de análisis de Chugaev y teniendo en cuenta las siguientes hipótesis y consideraciones actuales de explotación del embalse.

43 Hipótesis y Recomendaciones 1. Considerar como resistencia al esfuerzo cortante del suelo, a lo largo de la superficie de falla supuesta, el valor promedio calculado anteriormente. 2. Considerar que se mantiene la causa que originó al fallo por deslizamiento en junio del 2002, que fue la alta presión de poro originada en la base de la cortina, pero atenuada por el hecho de construir un nuevo vertedor que determina un NAN igual a 100,00 m, inferior al nivel de embalse alcanzado en el mes de junio del 2002 que fue de 107,56. Esta sería la condición más crítica en el futuro.

44 Hipótesis y Recomendaciones (continuación) 3. La construcción de la banqueta sobre material drenante permite considerar que el suelo de la cortina existente desde su construcción y sometido a altas presiones de poro que lo saturan, tiene un peso específico saturado,. El material drenante impide que las altas presiones de poro existentes en la base de la cortina no saturen el material de la banqueta, por lo que se considera para este caso un peso específico húmedo, 4. Para el cálculo de la presión de poro se ha supuesto que la superficie libre del agua que se infiltra por la base de la cortina coincide con la capa drenante que se construyó de apoyo a la banqueta.

45 Hipótesis y Recomendaciones (continuación) 5. Considerando, un análisis en tensiones efectivas, con envolvente de rotura propias de un suelo sometido a presiones mayores que la de preconsolidación, la expresión de Chugaev para el cálculo del factor de seguridad de los círculos de falla supuestos viene dada por:

46 En la tabla 7 se muestran los resultados del factor de seguridad por el método de Chugaev para 24 círculos de falla supuestos con diferentes centros y radios en la sección transversal con la banqueta. Tabla 7

47 En la tabla 7 se muestran los resultados del factor de seguridad por el método de Chugaev para 24 círculos de falla supuestos con diferentes centros y radios en la sección transversal con la banqueta. Tabla 7 (cont.)

48 De la tabla 7 se observa que el valor del factor de seguridad mínimo, F mín =1.99 calculado entre los 24 círculos de falla supuestos es mayor que el que exige la norma para presas de Categoría 2, que resulta ser de F norma =1.25.

49 Conclusiones y Recomendaciones. Consideraciones. De todo lo expuesto sobre la historia del proyecto, construcción, recrecimiento, explotación y reparación de la presa Lebrije, nos lleva a poder hacer las siguientes consideraciones:

50 Conclusiones y Recomendaciones. 1. El proyecto inicial de la presa Lebrije no concibió elementos o medidas contra las filtraciones a través del cimiento, a pesar de que la geología mostraba la existencia de Caliza, Arenisca gris, dura, agrietada. El dentellón de arcilla se proyectó solo en la parte superior de estos tipos de rocas. Esto sin duda ha sido la causa principal del comportamiento inestable del talud aguas abajo de la presa, cuando el embalse alcanza niveles altos.

51 Conclusiones y Recomendaciones. (continuación) 2. El recrecimiento realizado en los primeros años de la década de los 80 se proyectó considerando la estabilidad del talud aguas abajo al producirse una elevación de la línea de corriente superior, debido a los dos metros de incremento del NAN. Este análisis demostró que la presa seguía siendo estable después de recrecida, sin necesidad de hacer cambios en su sección transversal. Aunque nadie en este momento lo consideró, sin dudas el recrecimiento incrementó la posibilidad de falla del talud aguas abajo, al incrementarse la carga de filtración a través del cimiento, en dos metros. Todo parece indicar que durante 20 años los niveles del embalse no llegaron a los provocados por las lluvias de junio del 2002, ya que no se produjo en este período fallos por deslizamientos.

52 Conclusiones y Recomendaciones. (continuación) 3. En épocas tan tempranas como 1989, cuando se ejecutó el Proyecto de Equipos de Medición y Control de la Presa Lebrije, se observó en la construcción del piezómetro número 10, que al final no pudo instalarse, que las presiones de poro en el contacto de la cortina con el cimiento eran elevados, cuestión esta que fue alertada en el informe de dicha visita de fecha 19 de julio de 1989, firmado por el ingeniero Evelio Horta Mesta. Las recomendaciones dadas en este momento se encuentran en el capítulo #1 de este trabajo y no conocemos que se hayan ejecutado las medidas planteadas en el mismo.

53 Conclusiones y Recomendaciones. (continuación) 4. El deslizamiento ocurrido en junio del 2002 cuando se alcanzaron los niveles más altos en el embalse (cota 107,56), fue debido a las altas presiones de poro existentes en el talud aguas abajo, al actuar el cimiento agrietado como un vaso comunicante.

54 Conclusiones y Recomendaciones. (continuación) 5. La construcción de la banqueta provisional y los drenes correspondientes, ante el peligro de una catástrofe, está plenamente justificado. Téngase en cuenta que esta solución de banqueta y drenaje constituye mundialmente la solución más económica para reparar taludes deslizados.

55 Conclusiones y Recomendaciones. (continuación) 6. Los cálculos ejecutados durante la construcción de la banqueta provisional, por la premura y la falta de datos confiables de la resistencia al cortante del suelo en la zona de falla, quizás permitieron o dieron pie a la decisión tomada por la máxima dirección del INRH de fijar la cota 100 como la cota del NAN y la construcción de un nuevo vertedor.

56 Conclusiones y Recomendaciones. (continuación) 7. Los resultados de nuestro análisis, aplicando la reingeniería, muestran que la banqueta provisional construida con los drenajes correspondientes permiten aseverar que el talud aguas debajo de la presa Lebrije a lo largo de toda su vida útil futura es estable. Téngase en cuenta que a esta conclusión contribuye fuertemente, además de la construcción de la banqueta y los drenes, la construcción del nuevo vertedor que fija, un descenso del NAN de 4.40 m, o sea, de la cota 104,40 cuando se recreció a la cota 100,00.

57 Conclusiones y Recomendaciones. (continuación) Conclusión. La reparación del talud deslizado en junio del 2002 en la presa Lebrije mediante la construcción de una banqueta y los drenes correspondientes, unido a la decisión de operar el embalse con un nuevo vertedor en cota 100,0 m, permite asegurar la no ocurrencia de un fallo por estabilidad aguas abajo durante la vida útil de la misma.

58 Conclusiones y Recomendaciones. (continuación) Recomendación. La existencia de altas presiones de poro en la zona del cimiento aguas abajo, obliga a cuidarse del posible sifonamiento mecánico, para lo cual deberá construirse, al pie del talud, pozos de alivio que eviten este tipo de falla. Mantener una inspección constante de la presa y la medición sistemática de los piezómetros y correlacionar dichas mediciones con los niveles del agua en el embalse.

59 Muchas Gracias Cualquier sugerencia, por favor, comunicarse con el autor a través de las siguientes direcciones: rarmasn@yahoo.comrarmasn@tesla.cujae.edu.cu