MÉXICO - lapem.cfe.gob.mx · TABLA 2 - Factores de seguridad mínimos para obras subterráneas _____ 8. ESTUDIO DE MECÁNICA DE ROCAS PARA PROYECTOS HIDROELÉCTRICOS (ETAPA DE FACTIBILIDAD)

MÉXICO

ESTUDIO DE MECÁNICA DE ROCAS PARA PROYECTOS HIDROELÉCTRICOS (ETAPA DE FACTIBILIDAD)

GUÍA CFE 10100-44

NOVIEMBRE 2017 REVISA Y SUSTITUYE A LA

EDICIÓN DE NOVIEMBRE 2007


PREFACIO

GUÍA CFE 10100-44

Esta guía ha sido elaborada de acuerdo con las Bases Generales para la Normalización en CFE. La propuesta de revisión fue preparada por la Gerencia de Estudios de Ingeniería Civil.

Participaron en la elaboración de la presente guía las áreas siguientes:

GERENCIA DE LAPEM

GERENCIA DE ESTUDIOS DE INGENIERÍA CIVIL

El presente documento normalizado entra en vigora partir de la fecha abajo indicada y será actualizado y revisado tomando como base las observaciones que se deriven de la aplicación del mismo. Dichas observaciones deben enviarse a la Gerencia del LAPEM, cuyo Departamento de Normalización coordinará la revisión.

Esta guía revisa y sustituye a la edición de noviembre de 2007 y a todos los documentos normalizados de CFE relacionados con estudio de mecánica de rocas para proyectos hidroeléctricos (etapa de factibilidad) que se hayan publicado.

ING. ALBERTO ALE DR ONTOYA VARGAS ENCARGADO DE LA GERENCIA DEL LAPEM

NOTA: Entra en vigor a partir de:

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Texto escrito a máquina

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Texto escrito a máquina

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C O N T E N I D O 1 OBJETIVO Y CAMPO DE APLICACIÓN ______________________________________________________ 1

2 DEFINICIONES __________________________________________________________________________ 1

2.1 Casa de Máquinas _______________________________________________________________________ 1

2.2 Cortina o Presa __________________________________________________________________________ 1

2.3 Obra Subterránea ________________________________________________________________________ 1

2.4 Proyecto Hidroeléctrico en Etapa de Factibilidad _____________________________________________ 1

2.5 Prueba de Permeabilidad _________________________________________________________________ 1

2.6 Revestimiento de un Túnel o Talud _________________________________________________________ 1

2.7 Tratamiento de la Roca por Medio de Inyecciones _____________________________________________ 1

2.8 Túnel a Presión __________________________________________________________________________ 1

2.9 Vertedor ________________________________________________________________________________ 2

3 CARACTERÍSTICAS Y CONDICIONES GENERALES ___________________________________________ 2

3.1 Generalidades ___________________________________________________________________________ 2

3.2 Análisis y Procedimiento de Evaluación Geotécnica Preliminar _________________________________ 2

3.3 Criterios de Diseño para Excavaciones Superficiales y Desplante de la Presa _____________________ 4

3.4 Criterios de Diseño para Excavaciones Subterráneas __________________________________________ 6

3.5 Revestimientos Primarios _________________________________________________________________ 9

3.6 Elaboración de informe ___________________________________________________________________ 9

4 TRATAMIENTOS DEL TERRENO POR MEDIO DE INYECCIONES ________________________________ 9

4.1 Datos Básicos de Diseño ________________________________________________________________ 10

4.2 Tipos de análisis________________________________________________________________________ 10

5 CONDICIONES DE SEGURIDAD INDUSTRIAL _______________________________________________ 13

6 SISTEMA DE UNIDADES _________________________________________________________________ 13

7 NORMAS Y REFERENCIAS APLICABLES ___________________________________________________ 13

TABLA 1. Factores de seguridad mínimos para excavaciones superficiales ____________________________ 5

TABLA 2 - Factores de seguridad mínimos para obras subterráneas __________________________________ 8


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1 OBJETIVO Y CAMPO DE APLICACIÓN En esta guía se definen los lineamientos que se deben seguir para ejecutar los estudios de mecánica de rocas que incluye, el análisis de la información geológica y geotécnica para proyectos hidroeléctricos, en la etapa de factibilidad que requiere la Comisión, para la construcción y operación de posibles centrales generadoras, de tal modo que estos estudios cumplan con los requisitos de factibilidad de un proyecto definitivo. 2 DEFINICIONES

2.1 Casa de Máquinas Caverna subterránea excavada en el macizo rocoso o estructura civil construida a cielo abierto donde se alojan las turbinas para la generación de energía. 2.2 Cortina o Presa Estructura construida materiales térreos, de concreto o de la combinación de éstos, en una sección de un río o de un valle para almacenar agua, elevar el nivel del río o disminuir la velocidad de la corriente del río. 2.3 Obra Subterránea Es el espacio en el subsuelo que se produce artificialmente mediante algún procedimiento de excavación y que está destinado a funciones como la de conducción de fluidos, el almacenamiento de materiales y/o equipos o albergar instalaciones civiles. 2.4 Proyecto Hidroeléctrico en Etapa de Factibilidad Es aquel proyecto hidroeléctrico en el que la etapa de estudios que se realicen, deben permitir definir si dicho proyecto pasa a la etapa de diseño definitivo o es desechado. 2.5 Prueba de Permeabilidad Ensaye que consiste en inyectar agua a presión o extraer agua del macizo rocoso por medio de un barreno o pozo para conocer la permeabilidad del macizo rocoso o de las discontinuidades que lo atraviesan. 2.6 Revestimiento de un Túnel o Talud Soporte constituido por concreto lanzado reforzado con malla de acero o con fibras de acero y/o por concreto hidráulico reforzado con varilla corrugada, que puede ser temporal o definitivo. 2.7 Tratamiento de la Roca por Medio de Inyecciones Método por medio del cual se mejoran las propiedades hidráulicas de un macizo rocoso (reducción de la permeabilidad, llamándose inyecciones de impermeabilización) y/o se aumenta la resistencia y el módulo de deformabilidad (inyecciones de consolidación). 2.8 Túnel a Presión Túnel por medio del cual se conduce agua a presión. Puede ser horizontal, vertical, inclinado o una combinación de éstos.


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2.9 Vertedor Túneles o canales que trabajan hidráulicamente como canales a cielo abierto que se construyen para desalojar agua en exceso almacenada en el embalse de la presa. 3 CARACTERÍSTICAS Y CONDICIONES GENERALES

3.1 Generalidades La primera etapa de los estudios de factibilidad para una obra hidroeléctrica, en principio se debe apoyar en información general de topografía, recurriendo a información aérea vía satélite o de fotogrametría, también se debe contar con planos del Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática, de la Secretaria de la Defensa Nacional, o de empresas particulares que cuenten con información necesaria para seleccionar en forma preliminar la geometría de las obras civiles y de la infraestructura correspondiente. La segunda etapa es función de la recopilación e integración de la información de los resultados de las pruebas de campo y laboratorio que proporcionan las propiedades mecánicas e hidráulicas del terreno y de las experiencias que aporten los ingenieros Geólogos y Geotecnistas, para evaluar en forma adecuada y óptima dicho sitio, para desarrollar un análisis representativo del sitio probable de las obras. En la evaluación geotécnica del sitio de desplante de las obras, es indispensable considerar las cantidades de obra que es necesario llevar a cabo, los procedimientos constructivos que se adopten, así como realizar también el estudio técnico económico comparativo con otras alternativas. Por lo general, las obras subterráneas dentro de la ingeniería civil son las que presentan mayor grado de dificultad y riesgo con respecto a las obras a cielo abierto (puede haber excepciones), debido a que su estabilidad está sujeta a las características geológicas del sitio y a las propiedades geomecánicas de la masa rocosa. 3.2 Análisis y Procedimiento de Evaluación Geotécnica Preliminar Este análisis y procedimiento de evaluación geotécnica, indica, la secuencia mínima que debe seguirse para desarrollar el estudio de mecánica de rocas para un proyecto hidroeléctrico en etapa de factibilidad que consiste en lo siguiente:

3.2.1.1 Localización y topografía del área La topografía del sitio debe presentarse en planos que cuenten con la geometría de las excavaciones y de todas las obras del proyecto y también, de manera independiente y a una escala mayor, cada una de las obras principales que integran el proyecto indicando sus dimensiones tanto en planta como en elevaciones para el primer caso es frecuente usar escalas 1:2 000 a 1:5 000, mientras que para cada obra en particular de 1:100 a 1:1 000. 3.2.1.2 Datos de funcionamiento

Debe proporcionarse el funcionamiento de cada obra que consta el proyecto y todos los parámetros de diseño posibles tales como: presiones hidráulicas, fuerzas estáticas, dinámicas, pesos de las estructuras para obtener los parámetros necesarios para efectuar los análisis correspondientes y restricciones en su caso.

3.2.1 Recopilación de la información del proyecto


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3.2.1.3 Recopilación de la información geológica

a) Geología regional. Es necesario conocer las diferentes formaciones de roca, fallas regionales, entre otros, de la

región donde se localiza el proyecto. b) Geología del sitio.

Para llevar a cabo el estudio de mecánica de rocas, se requiere de los levantamientos geológicos

a detalle del sitio del proyecto, aunque en esta etapa de factibilidad no se cuente con la suficiente información a detalle, ya debe tenerse al menos de manera general, el marco geológico del sitio, incluyendo la geología estructural.

Esta información es básica en los estudios de mecánica de rocas para los análisis y definición

del método constructivo, así como la magnitud de los tratamientos de la roca y del soporte requerido en las diferentes obras que deben formar parte del proyecto.

c) Sismicidad de la zona. Se requiere del factor sísmico de la región para considerarlo en los análisis de estabilidad. d) Niveles piezométricos. Para estudiar las filtraciones y/o empujes hidrostáticos hacia las obras, así como, empujes

hidrostáticos o definir si es necesario equipo de bombeo para excavaciones o para diseño de tratamientos, debe contarse con información de los niveles piezométricos del sitio y la posible variación de éstos.

La inspección al sitio de las excavaciones de exploración geológicas (en caso de que ya estén realizadas algunas) y de la zona en general, debe contemplarse antes de efectuar los análisis y el pre-diseño de las obras que componen la futura central hidroeléctrica, a fin de visualizar e interpretar los problemas o riesgos geotécnicos que se espera se presenten durante su construcción, funcionamiento y operación.

Para efectuar los análisis y el pre-diseño de las obras que componen el proyecto hidroeléctrico, es necesario determinar las propiedades físicas, mecánicas e hidráulicas tanto de la roca intacta obtenida de barrenos exploratorios como de muestras labradas in-situ representativas del macizo rocoso obtenidas de los socavones de exploración o de la superficie. En esta etapa, es válido asumir el uso de valores representativos del macizo rocoso mientras se obtienen dichos parámetros. 3.2.3.1 Propiedades mecánicas de las rocas Con el objeto de conocer las propiedades mecánicas de las rocas, se debe disponer de información, que pueden ser pruebas de laboratorio y campo, en caso de no contar con ello, como se mencionó en el párrafo anterior, se deben asumir valores o parámetros que sean representativos de la masa rocosa, éstos últimos normalmente son determinados por personal especializado en geotecnia y que cuente con experiencia. Esta evaluación únicamente es aplicable para la etapa de factibilidad.

3.2.2 Visita de inspección

3.2.3 Recopilación de información geotécnica


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En seguida se indican las propiedades y parámetros más importantes que se requieren y que su aplicación o utilización dependen del tipo de funcionamiento de cada obra y de la geología del lugar, dichas propiedades y parámetros de manera general son las siguientes:

a) Sistemas de fracturamiento.

b) RQD.

c) Porcentaje de recuperación.

d) Permeabilidad.

e) Masa volumétrica.

f) Resistencia a compresión uniaxial de la roca intacta.

g) Deformabilidad.

h) Tamaño de bloque.

i) Estado de esfuerzos internos de la masa rocosa.

j) Resistencia al esfuerzo cortante de las principales discontinuidades geológicas.

Esta lista es enunciativa y debe depender de las condiciones geológicas del sitio, de los requerimientos del proyecto y demás condiciones, la necesidad o no de requerir mayores ensayes para determinar algunas propiedades adicionales. 3.3 Criterios de Diseño para Excavaciones Superficiales y Desplante de la Presa

Los siguientes criterios de diseño son aplicables a los análisis para la estabilidad y tratamientos de los taludes que se desarrollen en la zona de las excavaciones a cielo abierto donde se alojen las estructuras del proyecto y para los cortes que se hagan para alojar la cimentación de la obra de contención. 3.3.1 Datos básicos de diseño Como base de partida se requiere conocer la siguiente información:

a) Configuración topográfica y geometría propuesta de las excavaciones para alojar las obras.

b) Modelo geológico de detalle del sitio.

c) Caracterización geotécnica de las diferentes masas rocosas mediante el GSI (Geological Strenght Index), incluyendo los parámetros de resistencia de la masa rocosa y de las discontinuidades, así como la caracterización de los materiales recientes (depósitos de talud, suelos residuales, etc.) en el sitio.

d) Marco hidrogeológico del sitio.

e) Coeficiente sísmico de diseño.

f) Tipo y magnitud de las cargas externas actuantes en los taludes.

g) Uso de los taludes (temporales o definitivos) y condiciones de operación.

3.2.3.2 Métodos de análisis


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Los mecanismos de falla que se consideran en los análisis de estabilidad son los siguientes:

a) Falla por deslizamiento. Se considera una falla por deslizamiento cuando la orientación de las fallas o fracturas de algún sitio en particular, presenten condiciones cinemáticas admisibles para la movilización de bloques de roca sobre planos de discontinuidades o bien la intersección de ellos. Los casos generales en que son aplicables estas metodologías son los siguientes:

Falla plana.

Falla en cuña.

b) Falla rotacional. Cuando el macizo rocoso se encuentre muy fracturado y la altura (y sobrecargas) de la excavación permitan la rotura a través de la masa de roca, se considera la formación de una superficie curva de deslizamiento. Esta revisión también es aplicable para materiales recientes (depósitos de talud, suelos residuales, entre otros).

c) Falla por volteo o pandeo. En este caso la falla ocurre por giro de algún arreglo de bloques respecto

a un eje. Asociado a macizos de roca de regular a buena calidad, donde generalmente el tipo de bloques son tabulares.

Se considera el método de equilibrio límite, en el caso en que las condiciones cinemáticas del arreglo de discontinuidades o bien de la masa de roca, permitan la movilización de su resistencia al corte ante las fuerzas actuantes que se desarrollen en la excavación. La definición del nivel de estabilidad se realiza a través del uso de factores de seguridad que comparan las fuerzas actuantes previstas en el talud contra las fuerzas resistentes que presenten las discontinuidades o la masa rocosa en sí. Los factores de seguridad para las condiciones de carga se establecen con base en lo recomendado en el documento EM110-2-1902 “Engineering and Design Slope Stability” del USACE. En la Tabla 1 se presentan los factores de seguridad mínimos para cada condición.

Condición FS (mínimo)

Peso propio 2.0

Peso propio más presión hidrostática 1.5

Peso propio más sismo 1.1

3.3.1.3 Desplante de la presa Para determinar el nivel de desplante de la presa se considera la información geológica, geofísica y geotécnica del macizo rocoso, las condiciones topográficas del terreno de cimentación y la geometría de las obras, con la finalidad de revisar la estabilidad de los taludes utilizando los métodos de equilibrio límite o numéricos que apliquen. 3.3.2 Elementos de soporte, reforzamiento o drenaje de la roca Para cumplir con los factores de seguridad, se emplean los siguientes elementos:

a) Concreto lanzado Cuando la superficie de las excavaciones, definitivas y/o temporales, presenten fracturamiento y con el objeto de proteger contra erosión o intemperismo zonas específicas del talud, se aplica concreto lanzado (simple o reforzado).

3.3.1.1 Mecanismos de falla considerados

3.3.1.2 Estabilidad de bloques de roca mediante el método de equilibrio límite

TABLA 1. Factores de seguridad mínimos para excavaciones superficiales


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b) Anclajes pasivos o activos. A partir de la determinación del bloque inestable, el sistema de anclaje, junto con la cubierta de concreto lanzado, aporta la presión de soporte necesaria para que los bloques del talud sean estables y cumplan con los valores de FS considerados como mínimos.

c) Barrenos de drenaje. La presión hidrostática que se genera por la presencia de agua en las

discontinuidades de la masa de roca, se disminuye mediante la perforación de barrenos de drenaje. En excavaciones a cielo abierto, de acuerdo con los resultados de los análisis de estabilidad, se definen longitudes, inclinaciones, diámetro y distribución para los drenajes de los taludes; siendo estos factibles de ajustarse a la condición que se encuentre en campo durante la construcción.

3.3.3 Elaboración de informe Finalmente, en un informe geotécnico elaborado por un ingeniero geotecnista encargado del proyecto, debe reportar lo siguiente:

a) Recomendaciones geométricas de los cortes (alturas máximas, inclinaciones, anchos de bermas, entre otros).

b) Zonificación geológica-geotécnica para aplicación de los tratamientos, asociados a la orientación

del talud y los mecanismos de falla.

c) Esquemas de soportes y de tratamientos de la roca.

d) Recomendaciones de drenaje de la masa rocosa.

e) Recomendaciones de obras de drenaje superficiales.

f) Recomendaciones de instrumentación geotécnica. Las excavaciones se deben monitorear con referencias superficiales, inclinómetros y extensómetros, las frecuencias de medición durante el periodo de excavación se deben definir de acuerdo a la ingeniería básica y se deben incluir en las especificaciones. Los límites de alarma deben ser definidos en la etapa de construcción por el Contratista.

g) Especificaciones para la excavación y de aplicación de los tratamientos de la roca.

3.4 Criterios de Diseño para Excavaciones Subterráneas

Los siguientes criterios de diseño son aplicables a los análisis para la estabilidad y diseño de tratamientos para túneles, lumbreras, galerías y cavernas que se desarrollen en el proyecto. 3.4.1 Datos básicos de diseño Como base de partida se requiere conocer la siguiente información:

a) Configuración topográfica, geometría y trazo de las obras subterráneas.

b) Modelo geológico de detalle del sitio.

c) Caracterización geotécnica de las diferentes masas rocosas mediante el GSI (Geological Strenght Index), incluyendo los parámetros de resistencia de la masa rocosa y de las discontinuidades, así como la caracterización de los materiales recientes (depósitos de talud, suelos residuales, entre otros) en el sitio.

d) Estimación del estado inicial de esfuerzos de la masa rocosa.

e) Marco hidrogeológico del sitio.


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f) Tipo y magnitud de las cargas externas actuantes cercanas a la obra.

g) Datos de la geometría de las obras por requerimientos hidráulicos, estructurales o

electromecánicos.

3.4.2 Metodología de Análisis

Con base en las secciones geológicas, la caracterización geotécnica y las características de las discontinuidades, se establece una zonificación geotécnica por tipo de comportamiento de la roca a lo largo de la excavación. A partir de esta zonificación, se deben definir y se deben realizar los análisis requeridos en cada caso.

Los mecanismos de falla que se consideran comúnmente en los análisis de geotécnicos de obras subterráneas se describen en los siguientes párrafos; de éstos deben de evaluarse los que sean aplicables a las condiciones geológicas del sitio:

a) Falla estructuralmente controlada por aflojamiento de bloques de roca. Se considera una falla estructuralmente controlada por aflojamiento de bloques de roca cuando la orientación de las fallas o fracturas de algún sitio en particular, presenten condiciones cinemáticas admisibles para la movilización de bloques de roca sobre planos de discontinuidades o bien la intersección entre ellos.

b) Falla por graneo o derrumbes locales (Caving). Se define como graneo o derrumbes locales, al

comportamiento que presenta una excavación en las zonas donde se encuentra un macizo rocoso muy fracturado y/o se cuenta con la presencia de fallas (en algunas ocasiones de gran espesor), a veces combinados con elevados gradientes de agua.

c) Falla por aplastamiento de zonas de mala calidad (squeezing). Se define como falla por

aplastamiento al comportamiento que presenta una excavación cuando la resistencia del macizo rocoso es menor al estado de esfuerzos, considerando un comportamiento plástico perfecto o de reblandecimiento en una zona de mala calidad.

d) Falla por expansividad (swelling). La falla por expansividad se asocia al comportamiento de zonas

caracterizadas por la presencia de rocas expansivas, (por ejemplo, esquistos, areniscas y minerales filíticos); así como a zonas de disturbios tectónicos donde existen minerales expansivos como arcillas solubles y a los cuales se les puede asociar un comportamiento ideal plástico o de reblandecimiento.

e) Falla de frente en zonas de mala calidad. La falla de frente se asocia al comportamiento de zonas

de mala calidad en la cual se genera un derrumbe en el frente de excavación. En algunas ocasiones se produce en las zonas de los portales de los túneles.

f) Falla por carga no simétrica. La carga por falla no simétrica se puede atribuir, por ejemplo, a la

posición de una excavación con respecto a un talud, o en un túnel, a la presencia de una falla sub paralela a su trazado o bien a los efectos en excavación paralelas.

En el caso de túneles: La determinación de los soportes primarios en túneles se define con los resultados de los análisis de estabilidad de bóvedas, paredes o donde se detecten mecanismos de falla asociados a la geología estructural del sitio.

3.4.2.1 Zonificación geotécnica del trazo de las obras subterráneas

3.4.2.2 Mecanismos de falla considerados

3.4.2.3 Métodos de análisis para el diseño de los elementos de soporte


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En el caso de las cavernas:

a) La determinación de soportes primarios se define con los resultados de los análisis de estabilidad de bóvedas, paredes o donde se detecten mecanismos de falla asociados a la geología estructural del sitio. Se desprecia el procedimiento de avance de excavación a lo largo de la caverna para evaluar la respuesta de los soportes ante la condición más desfavorable de relajación del terreno.

b) Las etapas de excavación (banqueos) se incorporan para verificar la estabilidad del conjunto de excavaciones.

3.4.2.4 Evaluación de falla estructuralmente controlada por aflojamiento de bloques de roca mediante el

método de equilibrio límite Se aplica el método de equilibrio límite, con relación a la orientación del eje de la obra subterránea o algún mecanismo de desprendimiento de bloques cinemáticamente posible. Se calculan factores de seguridad mediante la comparación de las fuerzas actuantes previstas en la excavación contra las fuerzas resistentes de las discontinuidades o de la masa rocosa. Para estos análisis se consideran las condiciones geológicas del sitio, en particular la presencia de estratos sub-horizontales y se utilizan soluciones analíticas o numéricas según la complejidad de los mecanismos que se detecten. Adicionalmente y si encuentran condiciones que impliquen la interacción del túnel con mantos que conduzcan agua o bien mantos colgados, se revisa la condición con presiones hidrostáticas en los bloques de roca y una eficiencia del sistema de drenaje del macizo rocoso del orden del 50 %. Los factores de seguridad mínimos se presentan en la Tabla 2:

TABLA 2 - Factores de seguridad mínimos para obras subterráneas

Obras subterráneas F.S. mínimo

Caída de bloques de roca en bóveda (peso propio) 2.0

Deslizamiento de bloques en paredes (peso propio) 1.5

Caída de bloques para las condiciones hidrostáticas (peso propio + presión hidrostática)

1.3

Deslizamiento de bloques en paredes para las condiciones hidrostáticas (peso propio + presión hidrostática)

1.1

3.4.2.5 Evaluación de falla de frente Para evaluar la falla de frente en túneles y a juicio del diseñador, se emplean soluciones analíticas como las de Anagnostou-Serafeimidis (2007) y Serafeimidis (2007). 3.4.2.6 Evaluación de riesgo por hidrofracturamiento Se debe realizar una revisión de la cobertura vertical de roca requerida (Hreq) para evitar la falla del túnel por

fracturamiento hidráulico en condiciones estáticas y también por cobertura lateral. Con la finalidad de evaluar la cobertura de roca mínima en túneles con agua a presión no revestidos, o bien, para identificar las zonas donde se puede considerar una contribución de la roca contra hidrofracturamiento, se emplea el criterio propuesto por Bergh-Christensen y Dannevig (1971), conocido como criterio noruego.

Para la evaluación de la falla de los pilares que existan en las cavernas, se realiza una revisión del factor de seguridad

3.4.3 Evaluación de falla de pilares de roca entre Cavernas


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mediante la comparación entre la relación entre la resistencia y los esfuerzos en el centro del pilar debidos a la excavación. Los esfuerzos en el pilar se estiman mediante un modelo numérico que represente la condición de dichos pilares. El factor de seguridad mínimo debe ser de 1.3, sin considerar el efecto de los tratamientos de soporte. 3.5 Revestimientos Primarios Para cumplir con los factores de seguridad, se emplean los siguientes elementos:

a) Concreto lanzado, marcos de acero o revestimiento de concreto hidráulico reforzado); Dependiendo de la respuesta obtenida en los análisis se define la necesidad de colocar marcos de acero, revestimiento de concreto reforzado o capas adicionales de concreto lanzado (simple o con refuerzo), o bien, cuando el terreno sea susceptible a alterarse por exposición a la intemperie.

b) Anclajes pasivos o activos. A partir de la determinación del bloque inestable, el sistema de anclaje,

junto con la cubierta de concreto lanzado, deben aportar la presión de soporte necesaria para lograr la presión requerida para que los bloques sean estables y cumplan con los valores de FS considerados como mínimos.

c) Sistema de drenaje. Se deben perforar barrenos para disminuir la presión hidrostática que se

generé por la presencia de agua en las discontinuidades. De acuerdo con los resultados de los análisis; se deben definir los sistemas de drenaje que requieren las obras subterráneas.

3.6 Elaboración de informe Finalmente, en un informe geotécnico elaborado por un ingeniero geotecnista encargado del proyecto, debe reportar lo siguiente:

a) Recomendaciones geométricas para las excavaciones (circulares, sección herradura, sección portal, radios de curvaturas en bóvedas, anchos máximos, pilares mínimos, separación mínima entre excavaciones contiguas, entre otros)

b) Zonificación geológica-geotécnica para aplicación de los tratamientos utilizando como mínimo la

caracterización RMR (Bieniawski, 1989).

c) Soportes y tratamientos de la roca (temporales y definitivos).

d) Recomendaciones de drenaje de la masa rocosa.

e) Recomendaciones para la zona de interconexión de excavaciones.

f) Recomendaciones sobre las fases de excavación-soporte.

g) Recomendaciones de instrumentación geotécnica.

h) Especificaciones para la excavación y de aplicación de los tratamientos de la roca.

4 TRATAMIENTOS DEL TERRENO POR MEDIO DE INYECCIONES El tratamiento de inyección consiste en introducir en el terreno de forma controlada, tanto en presión como en volumen, mezclas cementicias o químicas con la finalidad de reducir su permeabilidad o mejorar sus propiedades mecánicas. Dentro de los tratamientos de inyección se consideran los siguientes tratamientos:

a) Inyección con manguitos: Inyección realizada a través de un tubo de manguitos colocado en una perforación previamente ejecutada. La inyección puede realizarse con distintas mezclas, en diferentes ubicaciones y en varias etapas sobre la misma ubicación.


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b) Inyecciones de contacto: Tienen como finalidad rellenar y empacar por medio de inyección de

lechadas o morteros, los espacios entre la roca y los colados de los concretos, y/o entre éstos y las placas de las estructuras metálicas, asegurando un buen contacto entre ambos, a fin de evitar concentraciones de flujo y garantizar la correcta interacción entre roca-revestimiento y/o revestimiento-placa.

c) Inyecciones de consolidación: Tienen como propósito mejorar u homogenizar el módulo de

deformabilidad de la roca de cimentación, mediante la inyección a presión de mezclas fabricadas con cemento, agua, aditivos y en ocasiones agregados inertes a través de barrenos perforados previamente en un arreglo geométrico definido. Con esta inyección se trata de sellar las fisuras, grietas u oquedades existentes en la masa de roca.

d) Pantalla de impermeabilización profunda: Consiste en la impermeabilización de la roca mediante

la inyección a presión de mezclas fabricadas con cemento, agua, aditivos y en ocasiones agregados inertes a través de perforaciones profundas en un arreglo geométrico definido, sellando fracturas, discontinuidades geológicas (fallas) u oquedades, con el propósito de reducir la permeabilidad del terreno al formar una barrera lo suficientemente profunda para minimizar las filtraciones hacia las zonas de excavación y garantizar la estanqueidad del embalse.

4.1 Datos Básicos de Diseño

a) Configuración topográfica y geometría de las obras a revisar.

b) Modelo geológico de la zona donde se deben ejecutar los tratamientos.

c) Marco hidrogeológico del sitio.

d) Identificación de rasgos altamente permeables.

e) Posición del nivel freático.

f) Conductividad hidráulica del terreno y su distribución espacial.

g) Susceptibilidad del macizo rocoso al hidrofracturamiento.

4.2 Tipos de análisis

Las características y ubicación de los tratamientos de inyección y drenaje se basan en las condiciones hidrogeológicas del sitio y en análisis de flujo. Los análisis de flujo de agua se efectúan considerando las hipótesis siguientes:

a) Como un medio poroso cuando se trata de suelos, materiales de depósito o macizos rocosos

altamente fracturados o con fracturamiento homogéneo.

b) Como un medio discreto o mediante relaciones de flujo de agua en fracturas, para estructuras geológicas altamente conductivas.

4.2.1 Diseño de los tratamientos de inyección El diseño definitivo de la pantalla de inyecciones se define durante la etapa de construcción, en función de los resultados obtenidos en paneles de prueba y en los barrenos de inyección de proyecto.


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4.2.1.1 Paneles de Prueba Los paneles de prueba deben ejecutarse como parte de los tratamientos definitivos en zonas con condiciones típicas del macizo rocoso, para determinar los parámetros de inyección recomendables, como la separación óptima entre barrenos, dirección de perforación, presión máxima (Pmáx) y volumen máximo (Vmáx), así como las propiedades óptimas de las mezclas de inyección. Estos paneles de prueba incluyen a todos los barrenos ubicados entre dos barrenos consecutivos de primera etapa (barrenos primarios, secundarios, terciarios, etc.) y por lo menos un barreno de verificación, en los cuales pueden ser necesario realizar perforaciones con recuperación de núcleos y/o sondeos ópticos, así como verificaciones mediante prospección geofísica. Los datos mínimos a obtener de los paneles de prueba incluyen: la evolución de permeabilidad entre etapas, evolución del consumo de inyección entre etapas, las características del macizo rocoso al completar el tratamiento en la zona, los valores de Pmáx y Vmáx alcanzados, así como las propiedades de cada una de las mezclas de inyección empleadas. 4.2.1.2 Profundidad de la pantalla La profundidad de la pantalla de inyecciones se basa en la condición hidrogeológica del sitio, considerando la permeabilidad del medio y las trayectorias preferenciales de flujo de agua. La pantalla de inyecciones debe profundizarse hasta una zona lo suficientemente impermeable para minimizar las filtraciones o efectos de erosión. Se delimita el tratamiento a zonas con valores de permeabilidad entre de 1x10-7 y 5x10-7 m/s (1 a 5 UL aproximadamente). En casos donde esto no sea económicamente factible, se considera una evaluación cuantitativa mediante análisis de flujo para determinar una profundidad conveniente de la pantalla. 4.2.1.3 Extensión lateral de la pantalla La pantalla de impermeabilización de la presa se extiende lateralmente en casos donde:

a) Se determine la presencia de materiales permeables o estructuras geológicas que pudieran representar una vía de flujo preferencial.

b) En los casos donde la estabilidad de taludes o estructuras definitivas se vea comprometida y se

requiera un control de los niveles piezométricos. En estos casos además del tratamiento mediante inyecciones se debe requerir de un sistema de drenaje.

4.2.1.4 Espaciamiento de barrenos de inyección La separación entre barrenos se optimiza durante la etapa de construcción a partir de la geología del sitio, los paneles de prueba y los resultados del proceso de inyección. Derivado a que en esta etapa de diseño del proyecto no se cuenta con datos que permitan definir la separación más óptima entre barrenos de inyección, la separación entre barrenos de primera etapa se debe proponer entre 5 y 12 m, dependiendo de las condiciones hidrogeológicas del sitio y las necesidades de impermeabilización. El espaciamiento depende de la evolución de la permeabilidad y consumos de mezcla de inyección por etapas, sin embargo, se considera que este no debe ser menor de 1 m.

En casos donde las permeabilidades del medio sean moderadas a altas (mayores a 15 UL), o donde los gradientes hidráulicos sean altos y se presenten materiales con riesgo de erosión, se considera la ejecución de múltiples líneas de inyección.


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4.2.1.5 Orientación de barrenos de inyección Los barrenos se orientan para cruzar con ángulos mayores a 30° el mayor número de discontinuidades principales (o más permeables), en caso de que esto no sea posible con una sola orientación de los barrenos, se agrega una línea de inyección adicional con una orientación diferente. 4.2.1.6 Tapete de Consolidación La inyección de consolidación tiene por objeto minimizar movimientos estructurales, mejorar las zonas superficiales alteradas (cuando económicamente es mejor que excavarlas y reponerlas) y reducir la permeabilidad de las zonas superficiales. Cuando la roca es masiva y ocasionalmente presenta fracturas importantes el tratamiento superficial se limita solo al inyectado de éstas. Cuando la roca presenta fracturamiento regular en toda el área, se proyecta un tapete de consolidación sistemático formado por perforaciones de verticales a inclinadas, de 5 a 10 m de profundidad y dispuestas en retícula cuadrangular o en tresbolillo. 4.2.1.7 Mezcla de inyección La mezcla de inyección se debe ajustar de acuerdo con las condiciones geológicas del sitio, buscando la reología más adecuada para conseguir los objetivos definidos con el mínimo volumen de perforación e inyección. Las mezclas de inyección deben ser estable, es decir, de baja sedimentación (Bleed), de baja viscosidad, baja cohesión, y alta resistencia al filtrado. 4.2.1.8 Procedimiento de inyección Los parámetros de inyección más convenientes: presión de inyección, volumen de inyección, criterios para finalizar el proceso, etc., se definen en función de los resultados obtenidos en paneles de prueba y en los barrenos de inyección de proyecto. Se emplea la metodología GIN de inyecciones en macizos rocosos fracturados (Lombardi y Deere, 1993) o la metodología convencional (definiendo los valores de presión y volumen límite) con el empleo de diversas mezclas de inyección para el sellado de estructuras geológicas de alta permeabilidad. 4.2.1.9 Pantalla de drenaje La pantalla de drenaje se ubica en los sitios donde se anticipe el desarrollo de presiones de agua desfavorables para las estructuras definitivas, a través de las fallas, fracturas y planos de estratificación presentes en laderas y cimentación de la cortina. Las características de la pantalla de drenaje se definen de acuerdo con la geología del medio, y los barrenos se orientan para intersecar las discontinuidades principales del macizo rocoso.

4.2.2 Elaboración de informe

a) Esquemas de pantallas de impermeables para ataguías, presas, estructura de control, entre otros.

b) Esquemas de tratamientos de consolidación.

c) Esquemas de tratamientos dentales.

d) Esquemas de tratamientos de fallas en las cimentaciones.

e) Especificaciones para la ejecución de los tratamientos de inyección y drenaje.


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5 CONDICIONES DE SEGURIDAD INDUSTRIAL No aplica. 6 SISTEMA DE UNIDADES Por disposición de la CFE con base en el artículo 5º de la Ley Federal de Metrología y Normalización, en todos los documentos que se generen para el proyecto se utiliza el Sistema General de Unidades de Medida, NOM-008-SCFI-2002, mismo que está homologado con el Sistema Internacional de Unidades. Para efectos de una rápida correlación, como referencia se indican, entre paréntesis, las equivalencias a otros sistemas de unidades. 7 NORMAS Y REFERENCIAS APLICABLES El diseño de las excavaciones y tratamientos a la roca, se basan en criterios adoptados por distintas instituciones reguladoras de las características que deben de ser consideradas para el desarrollo de un proyecto. Las normas principales en las que se basan estos criterios de diseño, reúnen algunas de las indicaciones sugeridas en los siguientes códigos, los cuales han sido funcionales dentro de la experiencia de la Comisión Federal de Electricidad:

a) Excavaciones Superficiales y desplante de presa:

Comisión Federal de Electricidad - Instituto de Investigaciones Eléctricas (1980), Manual de Diseño de Obras Civiles. Geotecnia. B.3.1. Estabilidad de Taludes.

USACE, (2003). Army Corps of Engineers, Engineering and Design Slope Stability, Washington, DC.

USACE, (1994). Army Corps of Engineers, Engineering and Design Rock Foundations, Washington, DC.

Day, R.W. (2002), Geotechnical Earthquake Engineering Handbook. Nueva York: McGraw-Hill.

b) Excavaciones Subterráneas en roca:

Comisión Federal de Electricidad - Instituto de Investigaciones Eléctricas (1980), Manual de Diseño de Obras Civiles. Geotecnia. B.3.2. Obras Subterráneas.

USACE, (1997). Army Corps of Engineers, Engineering and Design Tunnels and Shafts in Rock, Washington, DC.

Russo G., Kalamaras G.S., Grasso P. (1998): Sui concetti di classe geomeccanica, categoria di comportamento e classe tecnica nel progetto di un’opera in sotterraneo. Gallerie e Grandi Opere Sotterranee, No.54, pag.40-51.

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c) Tratamientos a la roca:

USACE, (1984). Army Corps of Engineers, Engineering and Design Grouting Technology, Washington, DC.

Donald A. Bruce (2007). Dam Foundation Grouting.

James Warner P.E. (2004). Practical Handbook of Grouting.

G. Lombardi y D. Deere (1993). Grouting Design and Control Using the GIN Principle.

d) Adicionalmente, se usan de las siguientes referencias debido a la utilidad que las mismas han generado en diseños para otros proyectos o bien por la versatilidad que muestran en las consideraciones del comportamiento del terreno, estas se refieren en el documento de la entrega al cliente sobre el diseño geotécnico:

Anagnostou, G., Serfafeimidis, K. (2007) The dimensioning of tunnel face reinforcement, ITA-AITES World Tunnel Congress "Underground Space - the 4th Dimension of Metropolises".

Barton, N. (2002) Some new Q-value correlations to assist in site characterization and tunnel design, International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences. No. 39, pp: 185-216.

Bieniawski Z.T. (1989) Engineering rock mass classifications, John Wiley & Sons, New York.

Goodman, R.E.(1989) Introduction to Rock Mechanics (2a ed.), Nueva York: John Wiley & Sons.

Hashash, M. A. B., Park, D., Bao, J.I. (2005) Ovaling deformations of circular tunnels under seismic loading, an update on seismic design and analysis of underground structures, Tunnelling and Underground Space Technology, 20(5): 435-441.

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Hoek, E., Carranza-Torres, C.T., Corkum, B. (2002) Hoek-Brown failure criterion – 2002 edition, Proc. North American Rock Mechanics Society.

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EM110-2-1902 “Engineering and Design Slope Stability”

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MÉXICO - lapem.cfe.gob.mx · TABLA 2 - Factores de seguridad mínimos para obras subterráneas _____ 8. ESTUDIO DE MECÁNICA DE ROCAS PARA PROYECTOS HIDROELÉCTRICOS (ETAPA DE FACTIBILIDAD)