ÍNDICE I.
MEMORIA DESCRIPTIVA.............................. ..................................................... ............................................. ......................................... ................... 1 1.1 INTRODUCCIÓN ........................................... .................................................................. ............................................. ......................................... ................... 1 1.2 OBJETIVOS................................... ......................................................... ............................................ ............................................. ...................................... ............... 1 1.3 GENERALIDADES........................... ................................................. ............................................ ............................................ .................................. ............ 1
II. ESTUDIOS BÁSICOS........................................... ................................................................. ............................................ ...................................... ................ 5 2.1 GEOLOGÍA .......................................... ................................................................. ............................................. ............................................. .............................. ....... 5 2.1.1 GEOLOGÍA REGIONAL ............................. ................................................... ............................................. ...................................... ............... 5 2.1.2 GEOLOGÍA LOCAL ................................. ....................................................... ............................................ ......................................... ................... 7 2.1.3 GEOTECNIA ........................................................... ................................................................................. ............................................. ........................... 10 2.1.4 DESCRIPCIÓN DEL DE L EJE DE LA PRESA .............................................. ............................................................ .............. 13 2.2 HIDROLOGÍA Y CLIMATOLOGÍA ........................................... .................................................................. ................................ ......... 14 2.2.1 SUB CUENCA DE LA PRESA UMAYO ............................................................. ............................................................. 14 2.2.2 SUN CUENCA DEL RIO ILLPA ................................................. ........................................................................ ........................... 15 2.2.3 PARÁMETROS GEOMORFOLÓGICOS DE LA CUENCA ............................... ............................... 15 2.2.4 PARÁMETROS METEOROLÓGICOS METEOROLÓGICOS ........................................... ................................................................ ..................... 17 2.3 SISMICIDAD..................................... ........................................................... ............................................ ............................................. ................................ ......... 21 2.4 TOPOGRÁFIA.............................. ..................................................... ............................................. ............................................. .................................... ............. 22 III. PARÁMETROS DE DISEÑO ....................................... ............................................................. ............................................ ............................ ...... 22 3.1 ANÁLISIS DE INFILTRACIÓN .................................................. ......................................................................... ................................ ......... 23 3.2 ANÁLISIS DE ESTABILIDAD .................................... .................................... Error! Bookmark not defined. 3.3 ANÁLISIS DE DEFORMACIÓN ................................. ................................. Error! Bookmark not defined. IV. PLANOS .......................................... ................................................................ ................................ .......... Error! Bookmark not defined.
I.
MEMORIA DESCRIPTIVA
1.1 INTRODUCCIÓN El recurso hídrico en la mayoría de los departamentos del Perú, es muy limitado, li mitado, tal es el caso del departamento de Puno, que en épocas pasadas tuvo grandes problemas por efectos de la sequía, donde la población específicamente rural, sufre los estragos de la escasez del recurso hídrico.
Una presa de tierra es una estructura que se emplaza en una corriente de agua para embalsarla y/o desviarla para su posterior aprovechamiento o para proteger una zona de sus efectos dañinos, se ve muy importante el estudio geotécnico para determinar la estabilidad de la presa y definir sus parámetros físicos – mecánicos mecánicos de los materiales a utilizar en la construcción de estas obras y a partir de ello estimar su futuro comportamiento ante las condicione de esfuerzos a la que serán expuestas durante su vida útil.\
1.2 OBJETIVOS Evaluar el material constituyente de la presa y su fundación según la distribución de
•
presión de poros. poros. •
Definir el movimiento del agua dentro de la presa.
•
Determinar los fenómenos que experimenta el flujo del agua a travez de la presa como
son, erosión interna, sifonamiento, rompimiento hidráulico, etc.
1.3 GENERALIDADES
DESCRIPCIÓN DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO
Diseñarnos una presa de tierra, para analizar su estabilidad y obtener sus especificaciones técnicas para su construcción, según la topografía, condiciones geológicas, hidrología, hidrología, clima, sismicidad e impacto ambiental que presentará el sitio en análisis. Como también el proceso constructivo y obras auxiliares, así mismo, se preverá futuras fallas como: rebase de corona, sifonamiento mecánico, agrietamiento transversal, deslizamiento de talud, sismos, licuefacción y pérdidas por filtración. Geomorfológicamente Geomorfológicamente esta de la superficie puna sub-húmeda, la zona presenta un clima frío y seco típico de Puno, el material predominante es Arenisca Arcósica de color marrón – rojo de fangolita y conglomerado, con precipitación pluviales anuales y sequías, también se originan raras y esporádicas caídas de nieves y aguanieve (precipitaciones < 800 mm/año), presenta temperaturas extremas que oscilan entre 21 C y -15 C, la vegetación son pastos conocidos como “ichus”.
El AREA DE ESTUDIO La zona de estudio está situada en la cuenca hidrográfica del rio lllpa que comprende el área de influencia de la Laguna Umayo constituida políticamente por los distritos de Atuncolla, Paucarcolla, Vilque, Tiquillaca, Cabana y Mañazo, de la provincia y Departamento de Puno, cubriendo una superficie de 1270,34 Km2 de extensión y un perímetro de 1050,53 Km, su parte más alta tiene una cota de 4916.0 msnm y se ubica en el en la parte más alta de Mañazo y su parte más baja desemboca al Lago Titicaca, con una altitud aproximada de 3810 msnm. La configuración de la cuenca del Illpa es la de una hoya hidrográfica de fondo plano, la l a pendiente de los ríos dentro de la cuenca varia de 0.001 a 15%
1.4 UBICACIÓN
UBICACIÓN HIDROGRÁFICA El área de estudio hidrográficamente se ubica en la cuenca del río Illpa, vertiente del Titicaca y perteneciente al Sistema Titicaca, Desaguadero, Poopo y Salar de Coipasa (Sistema Hídrico TDPS). Según la división de las unidades geográficas del Perú del año 2011. La cuenca del río Illpa, limita por el Norte con la cuenca Coata; por el Este con la intercuenca 0175 y Lago Titicaca; por el Sur con la cuenca del río Ilave y tambo; y por el Oeste con la cuenca Coata.
UBICACIÓN GEOGRÁFICA Geográficamente la cuenca del río Illpa está comprendida entre las siguientes coordenadas geográficas; Latitud Sur: 14°3'36.15'' a 15°23'24.65'' y Longitud Oeste: 69°25'25.45'' a 71°7'34.27'' se encuentra localizada en la parte norte de la región Puno, en el extremo sureste del Perú, con una variación altitudinal de 3815 a 4916 m.s.n.m.
UBICACIÓN POLÍTICA Políticamente la cuenca del río Illpa se ubica en:
TABLAN°1: Ubicación Política Región:
Puno
Provincia :
Puno y San Román
Distritos :
Atuncolla, Paucarcolla, Caracoto, Cabana, Vilque, Mañazo, Tiquillaca y Puno
La presa a diseñar está ubicada a 33 km de la ciudad de Puno, en el rio Huacane, perteneciente a la Sub Cuenca UMAYO, y está a su vez a la Cuenca ILLPA; a una altura
aproximada de 4000 m.s.n.m., Latitud Sur: 15° 45' 40.47" y Latitud Oeste: 70° 08' 02.43".
TABLA N°2: Ubicación del proyecto (Rio Huacane) Región:
Puno
Provincia :
Puno y San Román
Distrito :
Atuncolla
Península:
Sillustani
Cuenca:
ILLPA
Sub Cuenca
UMAYO
Rio:
Huacane
FIGURA N°1: Ubicación Política de la Cuenca Illpa.
Fuente: Estudio de la Cuenca del Rio Illpa Puno (2013).
FIGURA N°2 (a y b): Ubicación de la Sub-cuenca UMAYO
Fuente: Estudio de la Cuenca del Rio Illpa Puno (2013). FIGURA N°3: Ubicación del río HUACANE Fuente: Estudio de la Cuenca del Rio Illpa Puno (2013). FIGURA N°4: Ubicación del proyecto Fuente: GOOGLE EARTH
II.
ESTUDIOS BÁSICOS
2.1 GEOLOGÍA 2.1.1 GEOLOGÍA REGIONAL Las características geológicas que a continuación se describe fueron tomadas del Estudio de la Cuenca del Rio Illpa (1981), Tomo I: Diagnostico de la Cuenca, realizado por la
DIRECCION GENERAL DE AGUAS, SUELOS E
IRRIGACIONES - MINISTERIO DE AGRICULTURA. La cuenca del río Illpa es de origen lacustre, pues en épocas anteriores constituyo el fondo del Lago Titicaca. Litológicamente está conformada por rocas sedimentarias, metamórficas e ígneas, cuyas edades varían desde épocas primarias hasta periodos relativamente cercanos, siendo
sometidas en diversos periodos geológicos a movimientos orogénicos y epirogénicos, teniendo actualmente como testigo de este proceso el levantamiento de los Andes. La posterior intemperización de las rocas constituyentes de las cadenas de los macizos, han originado conjuntamente con la acción erosiva pluvial la formación de otros estratos que a la vez están alternados con los formados por la acción eólica.
ESTRATIGRAFÍA Regionalmente se observa una secuencia estratigráfica cuyas edades, desde las más antiguas hasta las más recientes, son como sigue:
ERA DEL PALEOZOICO Grupo Cabanillas.- Está constituido por lutitas oscuras conteniendo n6dulos ferruginosos, potentes intercalaciones de cuarcitas y areniscas con abundante mica sobre la superficie de estratificación. Se le asigna edad devónica y aflora al Noroeste de la cuenca.
ERA DEL MESOZOICO Grupo Lagunillas,- Conformado con cuarcitas color blanco o rosado, compactas, calizas algo más densas y oscuras que las de edad cretácica. Se observan delgados lechos de lutitas. Se exponen en la parte Sur de la Cuenca, por la quebrada Navotinco en donde son fácilmente reconocibles. Se le asigna edad jurásica.
Formación Huancané.- Formada por areniscas blancas y rosadas, conglomerados finos y gruesos color violáceo, Se observan exposiciones de estos afloramientos en los alrededores de Paucarcolla y la ciudad de Puno. Se le asigna edad Cretácica inferior.
Formación Muñani.- Compuesto por areniscas de grano grueso y areniscas arkosicas de color marrón a rojo. Se expone en el flanco Sur de la laguna Umayo y al Este de Tiquillaca. Se le asigna edad Cretácica superior.
ERA DEL CENOZOICO Grupo Puno.- Consiste en areniscas color marrón intercaladas con conglomerados gruesos que contienen calizas, volcánicos y areniscas. Aflora principalmente en los
alrededores de Cabana y al Oeste de la ciudad de Puno. Se le asigna edad Terciaria inferior.
Volcánico Tacaza.- Conformado por derramas basálticas pirogénicas, brechas de flujo, aglomerados y tufos, con intercalaciones de conglomerados. Son reconocidos al Sur de la ciudad de Puno. Se le asigna edad Terciaria media.
Volcánico Sillapaca.- Conformado principalmente por derrames bas6lticos y andesiticos, tobas y conglomerados de composición andesitica de colores. Se expone claramente en Atuncolla. Se le asigna edad Cuaternaria pleistocena.
Formación Azángaro.- Conformado por potentes depósitos de arcillas lacustres bien laminadas de colores gris claro amarillento, de la edad Cuaternaria pleistoceno.
Dep6sitos Aluviales.- Está constituido por depósitos no consolidados de origen aluvial y fluvioglaciar. Se le asigna edad Cuaternaria reciente.
Rocas Ígneas.- Se han identificado rocas de car6cter Intrusivo como dioritas y sienitas. Dentro del tipo extrusivo se han reconocido andesitas, traquitas y dacitas. El emplazamiento de estas rocas te produjo durante el terciario.
2.1.2 GEOLOGÍA LOCAL
ESTRATIGRAFIA Está constituida por rocas sedimentarias, ígneas y material no consolidado. La secuencia es como sigue
a) Cretácico Superior Capas Rojas.- Conformado por la alternancia de areniscas y lutitas de color 1
.
a
buzan hacia el Este formando pequeños anticlinales. ll
P
n
o
2
1
9
8
u
.
rojo intenso, la estratificaci6n es bastante regular y uniforme. Los espesores 18 9 de los estratos varían entre 0.40 m y 2.0 m. El rumbo general de las capas es 12 de N-No y sus buzamientos varían entre 15° y 30° hacia el Oeste; localmente onu I
ll
R
oi e e
a
P I
oi l
R d d e
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ac
l n
ac
b) Terciario Superior Rocas Volcánicas.- Consisten en mantos lávicos color gris de naturaleza andesitica y sobre yace discordantemente sobre las capas rojas. Se exponen claramente en los bordes de los flancos de la Laguna Umayo y la Isla del Centro de la Laguna donde forman taludes verticales. Se le correlaciona con el volcánico Sillapaca.
c) Cuaternario Reciente
Depósitos Lacustres.- Consisten en material de granulometría fina, ocupan depresiones del terreno; especialmente es observable en el Sector de Atuncolla y Riveras de la laguna.
Depósitos Aluviales.- Son depósitos de graves, arenas y material fino. Se observan en el recorrido del río Illpa principalmente.
ESTRUCTURA Y FALLAS La fuerte actividad tectónica ocurrida en el Altiplano se traduce en Homoclinales, Anticlinales y Fallas.
Homoclinales. - Este tipo de estructuras es la que más se presenta en la zona de la laguna. Los estratos se presentan inclinados con un rumbo N - NO y el buzamiento varía entre 15°a 30° hacia el Oeste a Sur-Oeste. Esta estructura se prolonga por la zona de LIungo (Norte de la Laguna) y por el Sur hasta Paucarcolla.
Anticlinales.- Pertenece a una gran estructura ubicada entre la llanura del Altiplano y las partes altas de la Cordillera. Oriental. Se observan 4 anticlinales y sinclinales más o menos paralelos con un rumbo NO-SE; localmente parte de estos anticlinales se ubican en el flanco norte de la laguna, en el sector de Atuncolla.
Fallas.- El sistema de Fallas se origin5 antes del emplazamiento de las rocas efusivas, por lo que no observan en superficie. Sin embargo a 3 Km. de
Sillustani en la ruta hacia Atuncolla se ha localizado una falla regional inversa con rumbo NO-SE.
PARÁMETROS GEOMORFOLÓGICOS: TABLA N°3: Parámetros de la Sub cuenca
Fuente: Estudio de la Cuenca del Rio Illpa Puno (2013).
TABLA N°4: Parámetros de la Sub cuenca e hidrograma Snyder
Fuente: Estudio de la Cuenca del Rio Illpa Puno (2013).
CONCLUSIONES: De acuerdo al mapa geológico, el lugar de emplazamiento de la presa está formada por rocas andesiticas y también compuesto por areniscas de grano grueso de color marrón a rojo. Se expone en el flanco Sur de la laguna Umayo.
2.1.3 GEOTECNIA De acuerdo a Gonzales de Vallejo para realizar el estudio geotécnico debemos tener en cuenta: El número y la profundidad de las investigaciones, así como el tipo de ensayos, varía con la naturaleza de la presa y sus dimensiones. En los casos de presas de materiales sueltos, los estudios de selección realizados en la fase de anteproyecto suelen ser suficientes para definir a nivel de proyecto las condiciones de cimentación, o bien se completan con algunos sondeos adicionales en puntos singulares o en los emplazamientos de las estructuras auxiliares. Por el contrario, cuando se trata de presas de hormigón, los trabajos de prospección geotécnica son mucho más completos y diversificados, con objeto de definir los parámetros de deformabilidad y resistencia del macizo. Con respecto a las investigaciones más características, se destacan las siguientes: — Sondeos.
El número mínimo de sondeos recomendados, a nivel de anteproyecto y
para presas de menos de 50 m de altura, es de 3 a 4 en cada margen de la cerrada, y al menos 2 a 3 sondeos en el fondo del valle, preferentemente cruzados. Para la investigación de la presa se ha definido un número de puntos de investigación de 2 sondeos en el estribo derecho al igual que en el estribo izquierdo, y 2 sondeos en el vaso Su profundidad dependerá del espesor de las rocas alteradas, estructura geológica y profundidad de la roca competente, o suelos presentes en el valle. Como pauta general, los sondeos deben alcanzar una profundidad mínima de al menos la mitad de la altura de la presa, y alguno de ellos una profundidad equivalente a la altura de la presa; sin
embargo, la profundidad puede ser mayor si existen niveles permeables o materiales muy alterados, fallas, etc. La disposición suele seguir alineaciones a lo largo del eje de presa y transversalmente a dicho eje. Pero también deben realizarse algunos sondeos aguas arriba y abajo de la cerrada y en el vaso. La interpretación geológica decidirá la necesidad de investigaciones más profundas y con mayor número de sondeos.
NÚMERO DE PUNTOS DE INVESTIGACIÓN Por lo descrito, para el presente proyecto se plantea un número de puntos de investigación de 2 sondeos en el estribo derecho al igual que en el estribo izquierdo, y 2 sondeos en el cauce del rio. -
Ensayos in situ
En esta sección el estribo derecho se investiga mediante dos (02) sondajes: ubicado al pie del estribo y la otra a altura sobre el piso del valle. Determinándose la conformación por rocas volcánicas andesiticas. En el estribo izquierdo los sondajes se realizan al pie de la vertiente, presentando las mismas características del estribo derecho. -
Ensayos de laboratorio
En muestras tomadas de los "Testigos" de la perforación se han efectúan ensayos especiales para determinar las características mecánicas de la cimentación, como son: -
Compresión Uniaxial (estado seco y saturado)
-
Corte directa sobre discontinuidades (Saturado)
-
Ensayos de deformabilidad para determinar las constantes elásticas (estado seco y saturado)
También se han realiza ensayos estándar para establecer las propiedades físicas de las rocas de cimentación y de las canteras de roca y agregados.
Fuente: Gonzales de Vallejo-Ingeniería Geológica
CONDICIONES EN LA CIMENTACION
De acuerdo a las características geológicas de la zona de emplazamiento de la presa, que es similar a las condiciones geológicas de la presa Lagunillas, tomamos estos valores para los parámetros físicos y mecánicos, continuación se detalla: -
Parámetros físicos:
Los resultados de los ensayos de las propiedades físicas de las rocas confirman que se trata de rocas de dureza media, algo meteorizadas, donde la alteración penetra en la roca a partir de las fisuras más importantes. Las características principales de estas rocas y que incidirán en su comportamiento geotécnico son las siguientes: Pesos específicos al estado seco y saturado dentro del rango de rocas masivas, absorción y grado de saturación en límites normales para este -
Parámetros Mecánicos
Las condiciones geológicas homogéneas de la zona de cimentación han determinado el programa de ensayos de mecánica de rocas, obteniéndose los parámetros mecánicos que interesan al estudio en función de la altura de presa (16.00 m.) y longitud de coronación (5.7 m.) Los ensayos especiales de laboratorio proporcionarán los siguientes parámetros:
FIGURA N°6: Resultados de los ensayos especuales
Fuente: Expediente Técnico de la Presa Lagunillas
2.1.4 DESCRIPCIÓN DEL EJE DE LA PRESA El fondo y bordes de la laguna están cubiertos en gran parte por materiales lagunares impermeables. Los afloramientos rocosos son formaciones del tipo andesiticas perteneciente a la formación volcánica Sillapaca. La condición geomorfológica presenta formaciones volcánicas, determinando que el valle desarrolle un proceso geomorfico de erosión-denudación actualmente sin mayor evolución, pues la laguna actúa como una gran poza de amortiguación de las precipitaciones de la cuenca. Se proyecta construir una presa de 16.00 m. de altura máxima y en la coronación a la cota 3 870.12 m.s.n.m. El perfil transversal del valle en la sección de presa investigada tiene forma de "V" ligeramente asimétrica El lecho del rio, tiene acarreos lacustres de poca profundidad y será fácilmente removidos, por tanto, la estructura de presa se cimentara íntegramente en roca. En conclusión, se trata de una sección geomorfológica uniforme, formada por rocas efusivas que se continúan dentro del macizo. Estos resultados indican que el comportamiento mecánico del macizo será favorable, con respecto a la estructura de presa proyectada, pudiéndose afirmar su competencia en cuanto a su capacidad de carga. Las propiedades físico-mecánicas anteriormente anotadas se asumen para el estribo izquierdo, derecho y la zona entre estribos de la cimentación.
2.2 HIDROLOGÍA Y CLIMATOLOGÍA Las características hidrológicas que a continuación se detalla fue tomada del ESTUDIO HIDROLOGICO DE LA CUENCA ILLPA (2011), para el proyecto: “MEJORAMIENTO
DE LA DEFENSA RIBEREÑA DEL RIO ILLPA EN LOS DISTRITOS DE ATUNCOLLA, PAUCARCOLLA Y CABANA DE LAS PROVINCIAS DE PUNO Y SAN ROMAN – REGIÓN DE PUNO”
DIRECCIÓN DE ESTUDIOS DE PRE-
INVERSION - GOBIERNO REGIONAL PUNO. La cuenca del río Illpa es una de las cuencas aportantes al lago Titicaca con 1270,34 Km2 de extensión y un perímetro de 203.24Km, su parte más alta tiene una cota de 4917.57msnm y se ubica en el en la parte más alta de Mañazo y su parte más baja desemboca al Lago Titicaca, con una altitud aproximada de 3813 msnm. La configuración de la cuenca del Illpa es la de una hoya hidrográfica de fondo plano, la pendiente de los ríos es de 1.12% La cuenca presenta una presa con un volumen de almacenamiento 102 millones de metros cúbicos aproximadamente. Subcuencas Tributarias Para efectos de describir a la cuenca del río Illpa, se procedió a dividir a la cuenca en dos subcuencas, los cuales son: subcuenca Umayo y subcuenca Illpa.
2.2.1 SUB CUENCA DE LA PRESA UMAYO Esta subcuenca tiene un área de 1073.32Km2, con un perímetro de 181.22Km, su parte más elevada está en la cota 4917.78 msnm y se ubica en las parte más altas de Mañazo y su parte más baja se ubica en la cota 3831.99 msnm donde confluye con el rio Yunco. Los principales afluentes a la subcuenca de la presa Umayo son los siguientes: Rio Challamayo que tiene un área colectora de 246 km2, con un perímetro de 95.97Km, la longitud del rio es de 45.27 km.
Rio Vilque, que tiene un área colectora de 331 Km2, con un perímetro de 110.64 Km, la longitud del rio es de 110.69km. El río Pongone que tiene un área Colectora de 295 Km2, con un perímetro de 104.33km, la longitud del rio es 104.33km, el rio Pongone es canalizado a través de una bocatoma hacia la presa Umayo, nace de la unión de los ríos Conaviri y Yanarico este último nace de la unión de la quebradas Chancarane y Caquencora, el río Yanarico tiene como tributarios al río Tiracoma, las quebradas Pataceña, Huañulaya. El río Conaviri nace de las quebradas de Mayotinco (sus tributarios son la quebrada Lahuaraña, Sallacucho, Checchata y Corhualaca) y Antajave (tributario es quebrada Antasalla) .el río Conaviri tiene como tributarios a los ríos Huayllane, Ccoranemayo, Blanco (sus tributarios son las quebradas Patilla, Yanapusa, QuelloQuello); y las quebradas Pucara, Tornamayo.
2.2.2 SUN CUENCA DEL RIO ILLPA Esta sub cuenca tiene un área de 197.00Km2, con un perímetro de 103.783, y la elevación más alta se ubica a 4075.03msnm y la parte más baja se ubica a 3813msnm. Esta sub cuenca abarca desde la confluencia de los ríos Pongone y Yunco y forman el río Illpa hasta la desembocadura en el lago Titicaca, En la zona de la cuenca baja es la que mayormente produce las inundaciones.
FIGURA N°7: Ubicación Política de la Cuenca Illpa Fuente: Estudio de la Cuenca del Rio Illpa Puno (2013).
2.2.3 PARÁMETROS GEOMORFOLÓGICOS DE LA CUENCA Así como el ciclo hidrológico es el concepto fundamental de la hidrología, la cuenca hidrológica es la unidad básica del estudio. La cuenca está delimitada por el parteaguas, que es una línea imaginaria formada por los puntos de mayor elevación topográfica y la separa de las cuencas vecinas. Las características físicas de la cuenca procuran medir numéricamente las influencias de dichas características sobre el sistema de drenaje, respuesta de la cuenca, etc.; al mismo tiempo estos índices ayudan a realizar comparaciones entre regiones hidrológicas, en el presente estudio se identificaron una cuenca y dos sub cuencas:
· TABLA N°5: Cuenca Vertiente Illpa, Sub cuenca Vertiente Umayo e Illpa
PARAMETROS MORFOMETRICOS CUENCA DEL RÍO ILLPA
DESCRIPCION
UND
CUENCA ILLPA
SUBCUENCAS UMAYO
ILLPA
DE LA SUPERFICIE Área
km2
1270.34
1073.33
197.01
Perímetro de la cuenca
km
203.25
181.22
103.78
Cota máxima
msnm
4917.58
4917.78
4075.03
Cota mínima
msnm
3813.00
3832.00
3813.00
COTAS
CENTROIDE (PSC:WGS 1984 UTM ZONE 19S) X centroide
m
366500.84
363780.64
376004.37
Y centroide
m
8254392.79
8251067.76
8269102.06
Z centroide
msnm
4313.19
3902.00
3826.17
Altitud media
msnm
4313.19
3902.00
3826.17
Altitud más frecuente
msnm
3858.50
3964.50
3812.50
Altitud de frecuencia media
msnm
4127.13
4260.86
3877.53
%
9.50
10.16
10.31
ALTITUD
PENDIENTE Pendiente promedio
FACTORES DE FORMA Coeficiente de compacidad
1.61
1.56
2.09
Factor de forma de Horton
0.15
0.34
0.12
RELIEVE Rectángulo equivalente (L)
km
87.03
76.60
47.77
Rectángulo equivalente (A)
km
14.60
14.01
4.12
DE LA RED HÍDRICA Longitud del curso principal
km
92.63
56.40
39.88
Orden de la red hídrica
und
7
7
6
Longitud de la red hídrica
km
2913.83
2466.21
445.01
Pendiente promedio
%
1.12
11.14
1.13
FUENTE: ESTUDIO HIDROLÓGICO DE LA CUENCA DEL RIO ILLPA (2013).
2.2.4 PARÁMETROS METEOROLÓGICOS La caracterización de los parámetros meteorológicos se efectuó a nivel de la cuenca del río Illpa y en base a información de las estaciones meteorológicas dentro y próximas a la zona en estudio monitoreados por el Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología del Perú - SENAMHI, los parámetros meteorológicos analizados fueron: precipitación, temperatura, evaporación, humedad relativa, horas sol día y velocidad del viento. Con fines de comparación de los parámetros meteorológicos para este análisis se empleó información de algunas estaciones próximas a la cuenca del río Illpa como apoyo para el análisis espacial, asimismo se eliminó los errores más resaltantes en las series de registros meteorológicos de cada una de las estaciones utilizadas en este análisis.
PRECIPITACIÓN Las características estacionales del clima en la región se manifiestan principalmente en la variación del régimen de las precipitaciones. El conjunto de estaciones de la región muestra gran estacionalidad ya que en promedio el 69.6% se produce de Dic – Mar, y el 79.2% de Nov – Mar.
La variación de la precipitación a lo largo del año presenta un ascenso desde el mes de septiembre hasta el mes de enero. Luego, decrece hasta el mes de abril y de mayo a agosto el gradiente de descenso disminuye.
FUENTE: ESTUDIO HIDROLÓGICO DE LA CUENCA DEL RIO ILLPA (2013). La precipitación media en la cuenca Illpa es de 654.20 mm/año, en la cordillera la precipitación alcanza los 718.0 mm/año, el cual está concentrado en núcleos en el parte aguas con la cuenca Coata e Ilave. El período de lluvias de mayor magnitud comienza a partir del mes de Diciembre y se prolonga hasta Marzo y corresponde al 73% en promedio de las precipitaciones totales anuales. El porcentaje de precipitación en las estaciones meteorológicas durante los 4 meses oscilan de 60 a 84.5%. El período seco (invierno), comprende los meses de Mayo a Agosto, las precipitaciones con sus mínimos valores llegan a ser el 3.5% en promedio de las precipitaciones totales anuales, El porcentaje de precipitación varían de 0.2 a 12%. Los meses transitorios corresponden a Abril y Setiembre a Noviembre, presentan el 23.7% de las precipitaciones totales anuales. El porcentaje de precipitación oscila entre 14.2 a 37.8%.
TEMPERATURA La temperatura es la medida del calor y el frío, esta juega un papel importante en todos los procesos, químicos, físicos y biológicos, de las plantas, puesto que los cambios de calor o las transformaciones de luz en calor y viceversa determinan grandemente las velocidades a las cuales se efectúan las reacciones.
FUENTE: ESTUDIO HIDROLÓGICO DE LA CUENCA DEL RIO ILLPA (2013).
EVAPORACIÓN El termino evaporación se refiere, en climatología al agua transferida a la atmósfera a partir de las superficies libres de agua; la transferencia de vapor de agua a la atmósfera se denomina transpiración. El agua se pierde de la superficie del suelo por la evaporación, bajo la influencia de una serie de factores como son la capacidad de la atmósfera para absorber al vapor de agua, la condición de la superficie del suelo, la cantidad de agua presente en las capas superficiales y que está sujeta a evaporación, y la capacidad de retención de humedad de las capas profundas. La evaporación es un proceso físico continuo por medio del cual el agua, a una temperatura inferior al punto de ebullición, cambia del estado líquido al de vapor. Esta transferencia del vapor del agua puede ocurrir desde superficies libres de agua, gotas en las nubes o neblina, pequeñas películas depositadas en sólidos, tales como partículas de suelo e igualmente desde la superficie foliácea de las plantas terrestres o acuáticas.
FUENTE: ESTUDIO HIDROLÓGICO DE LA CUENCA DEL RIO ILLPA (2013).
HUMEDAD RELATIVA Es la relación en porcentaje de la cantidad presente de vapor de agua contenido en un volumen de aire. La humedad relativa es una variable climática de primera magnitud muy relacionado, a través de diversos mecanismos físicos, con la nubosidad, la precipitación, la visibilidad, y de forma muy especial con la temperatura: la cantidad de agua en forma de vapor que puede encontrarse en la atmósfera es función directa de la temperatura. La humedad relativa es la forma más común de expresar la humedad atmosférica por su explicita relación con el bienestar climático y el crecimiento de las plantas. Por lo general, la humedad relativa sigue un ritmo diario, cambiando la humedad, de baja durante el día a muy alta en la noche cuando el aire se enfría. La variación estacional y espacial es similar a la precipitación, por lo que registra los valores más altos durante el verano. También se verifica que la variación estacional de humedad relativa en todo el bloque de las estaciones es uniforme. En las estaciones ubicadas en la cabecera de la cuenca y la ubicada cerca al Lago Titicaca registran mayores valores con respecto a las estaciones ubicadas en la cuenca media.
FUENTE: ESTUDIO HIDROLÓGICO DE LA CUENCA DEL RIO ILLPA (2013).
VELOCIDAD DEL VIENTO El movimiento del aire resulta del calentamiento, enfriamiento, expansión y contracción ocasionados principalmente por diferencias en la temperatura y por la rotación de la Tierra. El movimiento general del aire con relación a su contenido de humedad y la temperatura, son de importancia geográfica. La selección de los cultivos y la producción de estos en un área dada también pueden ser influidas por las condiciones prevalecientes de los vientos. La pérdida de humedad de las plantas o el suelo y la diseminación de microorganismos fitopatógenos, semillas y polen también son afectados por el viento. La exposición al viento en muchos casos puede ser un factor determinante del desarrollo de las plantas y de la distribución de la vegetación. La erosión del suelo por la acción del viento se presenta en nuestro medio geográfico, puede tener un efecto directo sobre la utilización agrícola de ciertas áreas. En general para un año promedio, la distribución de la velocidad media del viento es similar en las dos estaciones mencionadas; con un valor máximo, del orden de 3.0 m/s en los meses de octubre a diciembre en las estacione de Puno, y un valor mínimo, de 1.4 m/s en el mes Marzo, en la estación de Cabanillas, la variación anual se puede mostrar en la Figura 18.
2.3 SISMICIDAD
El área del Proyecto forma parte de una región de mucha actividad sísmica, conforme se puede apreciar en la carta de Regionalización sísmica elaborada por el Instituto Geofísico del Perú. En la región Puno la actividad sísmica difícilmente se manifiesta a través de fallas de tipo superficial, quedando más bien confinada en la zona profunda como recientes estudios efectuados en ésta área parecen indicar, como si el recubrimiento volcánico y detrítico del terciario y cuaternario se hubiese sobrepuesto a las formaciones pre-
existentes, sin quedar implicado en el tectonismo que habla interesado a las rocas mesozoicas. Por lo tanto, parece lícito suponer que en las áreas del Proyecto no se encuentran fallas activas que se manifiestan en superficie. Por consiguiente, la principal preocupación en lo que concierne al diseño sísmico debe concentrarse en las tensiones creadas por los movimientos de la tierra. De acuerdo al plano de zonificación sismotectónica preliminar del Sur del Perú, la región Puno – Umayo ubica dentro de la zona 2, de actividad sísmica intermedia, con intensidades máximas probables entre VI y Vil grados de la escala de Mercali Modificada. Considerando que la región se ubica en el Sur del Perú que es una región de fuerte actividad sísmica, en el diseño de la presa se debe un coeficiente sísmico bastante conservador, el que estimamos debe ser 0.20 g. considerando un período de retorno de 75 años.
FIGURA N°8: Zonas sísmicas del Perú
2.4 TOPOGRÁFIA
III.
PARÁMETROS DE DISEÑO Y DATOS OPERACIONALES
A continuación, se presentará los datos operacionales y parámetros de diseño de la presa HUACANE:
TABLA N°6: Parámetros de diseño y datos operacionales
TIPO DE PRESA:
HOMOGÉNEA CON NUCLE IMPERMEABLE Y DRENAJE
FUNCIONALIDAD:
Almacenamiento y derivación
TIPO DE MATERIAL:
roca andesitica
COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD:
0.001 y 0.0001 cm/s
COTA DE LA CORONA:
3 871 m.s.n.m.
COTA DE LA BASE:
3 853 m.s.n.m
ANCHO DE CORONA:
5.7 m
BORDE LIBRE:
1.5 m
ALTURA TOTAL DE LA PRESA
18 m
VELOCIDAD DEL VIENTO:
3 m/s
TEMPERATURA PROMEDIO:
8.8
PRECIPITACIÓN MÁXIMO PROBABLE:
68.4mm
VIDA ÚTIL:
8 años
CAUDAL DE AVENIDA:
21.43 m(3)/s
TALUD AGUAS ARRIBA:
3.5 : 1
TALUD AGUAS ABAJO:
2.5 : 1
AREA DEL EMBALSE:
1 748 389, 818 2 m2
CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO:
15 869 887,037 6 m3
TIPO DE IMPERMEABILIZADOR:
INYECCIONES
SISTEMA DE DRENAJE:
VERTIC+D3:E21AL EN EL PIE DEL TALUD AGUAS ABAJO
3.1 ANÁLISIS DE INFILTRACIÓN 3.1.1 INTRODUCCION Al diseñar, construir y analizar el comportamiento de una presa se debe considerar que ella y su cimentación forman una unidad estructural, hasta el extremo que una presa es segura, si lo es también su cimentación. Los suelos para apoyar o cimentar una Presa, en raras ocasiones presentan la calidad y características necesarias para satisfacer los requisitos exigidos, de resistencia, estabilidad e impermeabilidad adecuados. Será pues necesario mejorar sus condiciones naturales.
En terreno potencialmente erosionable lo esencial es el control de las filtraciones, control orientado a reducir su caudal, su gradiente y proteger su salida aguas abajo mediante dispositivos adecuados. La infiltración en las presas de material suelto se da principalmente: a) en el propio cuerpo de la presa, y b) en la cimentación. En cuanto al agua infiltrada a través del cuerpo de la presa o de su cimiento produce los siguientes efectos: Uno directo, de pérdida de agua, que suele ser el menos importante y más fácil de controlar o subsanar, y un estado de presiones internas con componentes opuestas al efecto estabilizador del peso. Además, al estar mojados los materiales, disminuye su cohesión y su resistencia al rozamiento, añadiéndose estos efectos al de las componentes desestabilizadoras de las presiones internas. Además, el paso del agua a través de las zonas con materiales finos tiende a arrastrar esas partículas, con el consiguiente peligro de erosión interna progresiva. Este fenómeno se llama sifonamiento. De los tres efectos, el último es el más peligroso, porque afecta directamente a la integridad misma de la presa. El sifonamiento es, después del vertido sobre la presa, la causa más importante de accidentes o roturas de este tipo de presas. Además, es el más difícil de controlar de los tres enunciados. Los cimientos en roca, en general, no presentan ningún problema de resistencia para presas pequeñas. Los peligros principales que hay que tener en cuenta son los debidos a la erosión por filtración y la excesiva pérdida de agua a través de las juntas, fisuras, grietas, estratos permeables y planos de fractura.
3.1.2 TEORÍA DE LA INFILTRACIÓN Existen dos tipos de análisis para infiltración, esto es para flujo permanente o estacionario y flujo impermanente o transitorio. El modelo de flujo permanente describe un estado donde no se producen cambios. En un análisis de infiltración el “estado” significa presión del agua y caudal. Si ambas alcanzan un valor
estable, esto significa que estarán en ese estado para siempre. En muchos casos donde el problema geotécnico está expuesto a condiciones cíclicas, es posible que jamás se llegue a la situación estable.
En este tipo de análisis no se considera cuánto tiempo se necesita para alcanzar la condición estable. Solamente se predice cómo se presentará la superficie para un conjunto de condiciones de borde que no se modificarán en el espacio ni en el tiempo. Como el análisis de flujo permanente no considera la componente tiempo, las ecuaciones que lo gobiernan se simplifican. En el análisis permanente las ecuaciones sacan el variable tiempo y omiten la función de contenido volumétrico de agua. Un análisis impermanente por definición significa que hay cambios. Ejemplos de este tipo de análisis es predecir el tiempo que tarda una presa en humedecerse cuando el reservorio se llena en forma rápida. En un análisis impermanente se deben conocer las condiciones iniciales y las funciones que describen el cambio de las mismas. Por ejemplo, en una presa, se deberá conocer la función de llenado y vaciado de la misma en el tiempo. Por otro lado, también deberán conocerse las funciones hidráulicas del suelo para determinar en distintos tiempos el estado de infiltración en el mismo. Se parte siempre de una condición inicial para poder conocer los estados intermedios en el tiempo y el estado final de la modelación. En muchos casos, el estado inicial se establece como la condición permanente.
3.1.3 FENÓMENOS DE LA INFILTRACION Existen una serie de conceptos para diferenciar los diferentes tipos de ruptura Hidráulica, sin embargo, no existe una frontera claramente divisoria entre uno y otro fenómeno.
La Erosión interna ocurre cuando las fracciones del cuerpo de la presa o cimentación, son arrastradas hacia aguas abajo por flujo de la filtración
Tubificación es la forma de erosión interna que se inicia con la Erosión Regresiva, en una grieta o zona de alta permeabilidad, y el resultado es la formación de un “micro túnel” continúo llamado “tubo”, que va des de
aguas arriba hacia aguas abajo del cuerpo o cimentación de la
Presa
La Erosión Regresiva implica la separación de las partículas de los suelos cuando la filtración sale por ejemplo al pie aguas abajo de la presa homogénea. Las fracciones arrastradas son sacadas por la filtración y el proceso trabaja gradualmente en dirección hacia aguas arriba del cuerpo de la presa o de su cimentación hasta que se forma un “tubo” continuo.
El Reventón se presenta cuando los Gradientes de Salida en el pie de presa son altos. En suelos cohesivos esta condición se conoce como fractura hidráulica, y se manifiesta en forma de ebullición. En la Fig. N° 9, se muestra una presa sobre una capa arcillosa y por debajo de ella subyace un material permeable (granular). Se muestran las Líneas de corriente y el diagrama de fuerzas originadas por el Gradiente Hidráulico de Salida, que puede dar lugar al Reventón (suelo movido por el empuje).
FIGURA N°9: Dique sobre una capa de material impermeable que yace sobre un permeable
En la Figura N° 10, se observa la presencia de una fractura en la capa cohesiva en el pie Aguas abajo de la presa, luego el material granular empieza a salir por esa fractura (Ebullición), luego se manifiesta en forma de erosión regresiva, y tiene lugar el fenómeno de Tubificación, cuyo canal se conectará al fondo del embalse.
FIGURA N° 10: Erosión interna
La figura N° 11, trata de explicar cómo en una cimentación Homogénea el pie de Aguas abajo de la presa puede convertirse en una zona de Gradientes de Salida de gran magnitud, que pueden erosionar la zona mostrada
FIGURA N° 11: Dique sobre una capa de material permeable ebullición de arena.
Muchas veces para eliminar los efectos negativos de los fenómenos expuestos anteriormente se recurren a soluciones como la mostrada en la Fig. N° 12, en donde el diafragma de concreto
intercepta toda la zona Aluvial permeable, pero que su contacto con el cuerpo de la presa puede ser su “talón de Aquiles”, y es aquí en donde se debe prestar atención.
FIGURA N° 12: Dique con diafragma de concreto que intercepta el material permeable
TABLA N° 7: Suelos propensos a erosión interna
REFERENCIA
CARACTERISTICAS DE
DE RESISTENCIA
LOS SUELOS
1. Arcilla de alta plasticidad (IP>15). Bien compactada Mejor
2. Arcilla de alta plasticidad (IP>15), mal compactada
resistencia a la
3.
Erosión interna
con finos arcillosos de media plasticidad (IP>6).
Arena Bien graduada
o mezcla de grava y aren
4. Arena bien graduada o mezcla de grava y arena Media
con finos arcillosos de media plasticidad (IP>6).
resistencia a la
Bien compactado
Erosión interna
5. Mezcla de grava, arena y limo bien graduado (IP<6) 6. Mezcla de grava, arena y limo bien graduada (IP<6). Mal compactada 7. Arena fina muy uniforme sin cohesión (IP<6). Bien
Peor
compactada
resistencia a la Erosión interna
8. Arena fina muy uniforme sin cohesión (IP<6). Mala Compactada
FUENTE: Sherard en 1969, clasificación de los distintos materiales.
3.1.4 CONDICIONES DE FRONTERA Se presenta a continuación la descripción realizada por Marsal y Resendiz Nuñez en 1975, respecto a las condiciones de frontera o condiciones de contorno. El primer paso para resolver un problema de flujo es la especificación de las condiciones de frontera, para lo cual es necesario determinar las características geométricas e hidráulicas de las superficies extremas que delimitan el dominio de flujo. En los casos de flujo bidimensional (o tridimensional con simetría axial), una sección del medio en la dirección del flujo es representativa de las condiciones en cualquier otra, y aquellas superficies se reducen a líneas. Se presenta a continuación un resumen de las condiciones de frontera. En medios homogéneos hay cuatro posibles clases de líneas de frontera: a)
frontera suelo infiltrado-suelo impermeable (frontera impermeable).
b)
frontera agua-suelo infiltrado.
c)
frontera suelo infiltrado-suelo permeable no infiltrado (línea superior de flujo).
d)
frontera suelo infiltrado-aire (línea de descarga libre).
a. Frontera suelo infiltrado Suelo impermeable (frontera impermeable). A través de una frontera de este tipo el agua no puede fluir. Por lo tanto, los componentes normales de la velocidad son nulos a lo largo de ella y dicha frontera define una línea de flujo (recíprocamente, toda línea de flujo puede tratarse como si fuese una frontera impermeable).
FIGURA N° 13: Flujo confinado bajo la cimentación de una presa de hormigón, ( Marsal y Rsendiz, 1975
FIGURA N° 14: Flujo no confinado a través de una presa, (Marsal y Resendiz Nuñez,·1975)
Las líneas BCDEF y HI en la Figura 11, y la línea BC en la Figura 12, son ejemplos de fronteras impermeables, pues se supone que la permeabilidad del material que constituye la estructura de la presa de la Figura 11 es despreciable en comparación con la del suelo de cimentación, y, en la Figura 12, otro tanto acerca de la permeabilidad del suelo o roca debajo de AD, en comparación con la del suelo que constituye la presa. b. Frontera agua-suelo infiltrado
Estas fronteras son ejemplificadas por AB y FG en la Figura 11, y por BE y CG en la Figura 12. En vista de que en el flujo de agua en suelos la altura de velocidad es despreciable, la distribución de presión en las fronteras agua-suelo infiltrado puede considerarse hidrostática. Entonces en un punto cualquiera de ellas, por ejemplo, el punto P sobre la frontera BE Figura ) y la altura de posición es y , por lo que en cualquier punto de 12, la altura de presión es ( h 3− y
la frontera BE la carga hidráulica total será ( h 3 − y) + y = h 3. c. Frontera suelo infiltrado-suelo permeable no infiltrado (línea superior de flujo) En la figura 12, la línea EF separa, dentro de la misma masa de suelo BHIC, la zona de flujo BEFGC de la porción de suelo que teóricamente no es infiltrado por el agua que fluye de un lado a otro de la presa. Obviamente, las componentes de la velocidad, v, normales a dicha línea son nulas, y por tanto esta es una línea de flujo; pero el hecho de ser precisamente la línea superior de flujo le impone condiciones adicionales que no son comunes a cualesquiera otras líneas de corriente: la presión es constante en toda ella (igual a la atmosférica) y, siendo despreciable la altura de velocidad, la carga hidráulica total en dicha línea es h = y lo que indica que la carga hidráulica de las líneas equipotenciales que corten la línea superior de flujo será idéntica a la elevación del punto de intersección. Esto requiere que, si se trazan equipotenciales con caída de carga h constante, la diferencia de elevación de las intersecciones de dos equipotenciales contiguas cualesquiera con la línea superior de flujo sea también constante e igual a h (Figura 13).
FIGURA N° 15: Condición de intersección de las equipotenciales con la línea superior de flujo, (Marsal y Resendiz Nuñez,·1975)
Por otra parte, se puede demostrar que las condiciones de entrada y de salida de la línea superior de flujo son las mostradas en la Figura 14
FIGURA N° 16: Condiciones de entrada y de salida de la línea superior de flujo, (Casagrande, 1925- 1940)
d. Frontera suelo infiltrado-aire (línea de descarga libre) La línea FG en la Figura 12 es una frontera de este tipo. En ella, como en la línea superior de flujo, la carga hidráulica es igual a la de posición, esto es, se cumple h = y. Sin embargo, FG no es línea de flujo, aunque tampoco es equipotencial, es simplemente una cara de descarga libre. Por la ecuación h = y es evidente que FG no es una equipotencial. Se puede demostrar que tampoco es línea de corriente, como sigue: por las propiedades idénticas de las líneas de flujo y de las fronteras impermeables, pueden sustituirse las líneas de corriente EF y JG por fronteras impermeables sin que se alteren las condiciones de flujo entre ellas; si FG fuera línea de flujo, las componentes de velocidad normales a ella serían nulas y el caudal a través del tubo de flujo definido por EF y JG también se anularía; lo que es imposible siendo permeable el suelo comprendido en dicho tubo. El mismo razonamiento sirve para demostrar que dos líneas de corriente jamás se cortan. En forma análoga a lo que ocurre con la línea superior de flujo, la ecuación h = y obliga a que todo par de equipotenciales corten la línea de descarga libre en puntos con diferencia de elevación igual a la diferencia de carga hidráulica de dichas equipotenciales. En el caso de la línea de descarga libre, es obvio que tales intersecciones no ocurrirán perpendicularmente, pues se ha demostrado que la línea de descarga libre no es línea de flujo. Atendiendo a las condiciones de frontera, los problemas de flujo de agua en suelos pueden clasificarse en dos categorías: 1) los de flujo confinado, en que todas las fronteras del dominio de flujo son conocidas de antemano, en cuyo caso las fronteras son de los tipos a y b descritos;
