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SANTA FE - ARGENTINA - 2016
Desafíos geotécnicos en la construcción de una toma de agua para una central térmica a orillas del Río de la Plata
MORANDI, Roberto1, CODEVILLA, Mauro2,3, LEDESMA, Osvaldo N.1,3 y SFRISO, Alejo1,3
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected] 1
SRK Consulting (Argentina) S.A., Chile 300, (C1098AAF), Buenos Aires, Argentina 2
AOSA S.A., Tacuarí 1184, (C1071AAX), Buenos Aires, Argentina 3
Universidad de Buenos Aires., Las Heras 2214, (C1127AAR), Buenos Aires, Argentina
RESUMEN: La Central Térmica Ensenada Barragán se encuentra ubicada en Ensenada. P 560 MW de energía eléctrica al Sistema Argentino de Interconexión. El proyecto comprende la construcción de una obra de toma (constituida por un canal de abducción y casa de bombas) y un acueducto de 3100mm de diámetro y 3000m de extensión necesario para la refrigeración de las turbinas de la Central. El perfil geotécnico característico de la zona registra un depósito de rellenos fluviales compresibles de alta plasticidad con espesor variable entre 5.0m y 9.0m, conocido como Formación PostPampeano, por debajo del cual se observa la presencia de limos arcillosos de mediana plasticidad y parcialmente cementados, característicos de la Formación Pampeano. Durante el desarrollo de la obra se presentaron numerosos desafíos geotécnicos que se exponen en el presente artículo. Se describe la amplia campaña geotécnica realizada, el procedimiento de excavación de la obra de toma y la ejecución del acueducto.
Palabras clave: CENTRAL TERMOELÉCTRICA ACUEDUCTO TERRAPLENES EXCAVACIONES POST PAMPEANO
ABSTRACT: The Ensenada Barragán Power Plant is located in Ensenada. It will provide 560 MW of electricity to the National Interconnected System. The project includes the construction of an intake (constituted by an abduction channel and a pumping station) and the installation of a 3100 mm diameter aqueduct and 3,000 m length required for cooling the turbines of the plant. The typical geotechnical profile of the area registers a deposit of fluvial compressible fills of high plasticity with a variable thickness between 5.0 my 9.0 m, known as PostPampeano Formation, below which it is observed the presence of clayey silts of medium plasticity and partially cemented, typical of the Pampeano Formation. During the development of the work appeared numerous geotechnical challenges that are exposed in the present article. It is described the wide geotechnical realized campaign, the excavation procedures for the construction of the intake and the construction of the aqueduct.
KEY WORDS: THERMOELECTRIC PLANT WATER PIPELINE EMBANKMENTS - EXCAVATIONS POST PAMPEANO SOIL
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1 INTRODUCCIÓN
La Central Térmica Ensenada Barragán (CTEB) ocupa un predio de aproximadamente 25ha en la localidad de Ensenada, provincia de Buenos Aires. La central contempla la instalación de dos turbinas de gas y ciclo abierto con una potencia nominal total de 560MW, expandibles a ciclo combinado con una potencia de 840MW. Las obras civiles de la central incluyen la construcción de una obra de toma a orillas del Río de la Plata y de un acueducto enterrado de 3100mm de diámetro y más de 3km de extensión. En la Figura 1 se presenta una imagen satelital del sitio.
Figura 1. Central Térmica Ensenada Barragán, traza acueducto y estación de bombeo.
2 CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DEL SITIO
2.1 Campaña geotécnica (2013 2014)
La campaña geotécnica contempló la ejecución de 37 ensayos SPT, 82 ensayos DPSH, 14 ensayos de sísmica de refracción, 35 ensayos de permeabilidad Lefranc, 28 ensayos de resistividad eléctrica, 28 extracción de testigos Shelby, y los correspondientes ensayos de laboratorio para clasificación, determinación de propiedades índice y medición de parámetros mecánicos e hidráulicos del terreno.
2.2 Perfil estratigráfico
El perfil estratigráfico existente en la zona es ampliamente conocido y ha sido estudiado por numerosos autores [1] [2] [3]. Está constituido por las siguientes unidades geotécnicas: i) Fm. PostPampeano: depósitos fluviales compuestos por limos no plásticos y arcillas plásticas, normalmente consolidados a ligeramente preconsolidados, color grisáceo claro, elevada compresibilidad; ii) Fm. Pampeano: arcillas y limos de baja y mediana plasticidad, color castaño mediano a verdoso, compactos a muy duros, preconsolidados por desecación, con cementación natural distribuida en forma errática, baja
CENTRAL
ARROYO EL GATO
V
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compresibilidad; y iii) Fm. Puelchense: arenas limpias cuarzíticas subangulares densas (Dr>75%), libres de finos, color amarillento. En la Figura 2 y Figura 3 se indica un levantamiento geotécnico de la traza del acueducto desde su comienzo en la estación de bombeo hasta su ingreso a la CTEB. Para cada unidad geotécnica se indican valores medios de resistencia a la penetración SPT, peso unitario, humedad natural, límite líquido y clasificación USCS.
Figura 2. Perfil geotécnico sobre traza acueducto, progresivas +0.0 (estación bombeo) a +1.440.
Figura 3. Perfil geotécnico sobre traza acueducto, progresivas +1.440 a +2.840 (ingreso a CTEB).
El espesor de suelos del post-pampeano es variable entre 4.5m y 8.5m, reduciéndose de manera uniforme en dirección a CTEB. Dentro de esta unidad, entre progresivas +0.0 y +1.350 se destaca un subhorizonte superior menos compresible y con intercalaciones entre arcillas plásticas, limos no plásticos y arenas limosas, cuyo espesor es variable entre 0.0 y 3.5m. En correspondencia con los suelos del Pampeano, entre progresivas +0.0 y +1.850 se registraron lentes muy resistentes de espesor variable entre 2.0 y 5.0m. Por debajo de esta unidad se encuentran las arenas del Puelchense. En zona de estación de bombeo, dicho estrato comienza en cota +69.50m. Todo el perfil geotécnico se encuentra saturado, con posición natural del nivel freático entre 0.50 y 1.50m de profundidad.
2.3 Resistencia, rigidez y permeabilidad del Post-pampeano
En la Tabla 1 se presentan los resultados obtenidos en laboratorio sobre muestras del post-pampeano extraídas mediante el empleo de sacatestigos de pared delgada. Todas las muestras analizadas presentaron un comportamiento normalmente consolidado a ligeramente preconsolidado (OCR= 1.0 a 1.2). Se destacan valores elevados de Cc (>1.0) medidos en algunas muestras.
Tabla 1. Fm. Post-pampeano. Parámetros medidos en laboratorio.
Ensayos de clasificación Ensayos edométricos Ensayos triaxiales
88.0
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COTA (m)
PROG. (m)
N.T.N.s
V RTICEss4sCALLEss11s
V RTICEss1sCAMINOs
COSTEROs
PAMPEANOs(NSPTs>s30)ùML,sCL,sMHs,s! s=s18.0s-s19.0skN/m3s
! nats=s28s-s40s%s,sLLs=s30s-s55s%ù
POST-PAMPEANOs(NSPTs<s2)ùCHs,s! s=s14.5s-s16.0skN/m3s
! nats=s55s-s98s%s,sLLs=s55s-s100s%ù
POST-PAMPEANOs(3<sNSPTs<8)ùCH,sMH,sML,sSMss,ss! s=s16.0s-s19.0skN/m3s
! nats=s25s-s55s%s,sLLs=s30s-s95s%ù
ACUEDUCTOs! =3000mmù
88.0
89.0
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91.0
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COTA (m)
PROG. (m)
A sELsGATOs
N.T.N.s
PAMPEANOs(NSPTs>s20)ùML,sCL,sMHs,s! s=s17.5s-s19.5skN/m3s
! nats=s27s-s50s%s,sLLs=s30s-s65s%s
V RTICEss5s
PAMPEANOs(NSPTs>s30)ùML,sCL,sMHs,s! s=s18.0s-s19.0skN/m3s
! nats=s28s-s40s%s,sLLs=s30s-s55s%ù
POST-PAMPEANOs(NSPTs<s2)ùCHs,s! s=s14.5s-s16.0skN/m3s
! nats=s55s-s98s%s,sLLs=s55s-s100s%ù
ACUEDUCTOs! =3000mmù
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USCS LL (%)
IP (%)
e0 Cc Cr pc (kPa)
su (kPa)
c (kPa)
´
(º)
CH 50 - 90 29 - 57 1.79 2.89 0.66 1.23 0.06 0.16 50 - 60 5 - 15 0 - 5 20 - 25
Los ensayos de permeabilidad Lefranc arrojaron valores de permeabilidad comprendidos entre 6.7 10-10
a 4.9 10
-7 m/seg. Similares órdenes de magnitud se obtuvieron en las pruebas de permeabilidad en
cámara triaxial. En las pruebas en compresión triaxial se aprecia una leve cohesión efectiva y una muy baja resistencia al corte no drenada, la cual se manifiesta claramente durante el manipuleo de muestras en laboratorio.
3 EXCAVACIÓN DE LA OBRA DE TOMA
El sector a intervenir en la obra de toma se divide en tres zonas: i) tramo de canal de abducción con tramo plano y de terreno natural; ii) Zona C: tramo de canal de abducción cuyo fondo es una losa de hormigón con una pendiente de 10° (sin tabiques interiores); iii) casa de bombas con los equipos de bombeo y elementos divisorios. Para materializar la casa de bombas fue necesario realizar una excavación masiva de 36.0m de largo, 44.5m de ancho y 15.0m de profundidad. En la Tabla 2 se indican las cotas del proyecto. En la Figura 4 se indica una planta de la obra de toma.
Tabla 2: Cotas de proyecto.
Cota [m] Descripción
+102.10 Cota final de la plataforma de relleno para ejecución de muros colados
+100.00 Cota de terreno natural
+99.0 Nivel freático
+91.00 Cota superior de la Formación Pampeano
+87.00 Cota superior de la losa de fondo
+85.80 Cota de excavación
+74.00 Cota inferior de los muros colados externos
+72.50 Cota inferior de los pilotes internos
+70.50 Cota superior de las arenas Puelchenses
Figura 4: Planta de la casa de bombas.
Se propuso una secuencia de excavación que permitiera excavar en el menor tiempo las obra de toma completa, minimizando la cantidad de empalmes de la armadura de la losa. La secuencia constructiva comprende las siguientes etapas: i) ejecución de plataforma de trabajo con relleno estructural; ii) ejecución de muros colados y pilotes para tabiques divisorios, iii) instalación de sistema de bombeo, iv) excavación en etapas para ejecución de anclajes perimetrales hasta +91.00m (techo Pampeano); v)
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excavación por franjas longitudinales hasta cota +85.80, v) ejecución de losa de hormigón por etapas, de manera que en todo momento hubiera un balance entre la carga desestabilizante producida por la subpresión del Puelchense y las cargas estabilizantes producidas por pilotes y peso propio de los suelos. Las medidas de sostenimiento del fondo consistieron en: i) abatimiento de napas, mediante un sistema de bombas de entre 2 HP y 6 HP hasta cota +75.00m y en una malla de 20 m x 20 m; ii) excavación segmentada (Figura 5); iii) instalación de zanjas drenantes a nivel de fondo de losa; iv) instalación de pilotes de tracción de 0.60m de diámetro en coincidencia con los tabiques divisorios.
Figura 5: Esquema de análsis de la estabilidad del fondo de excavación.
Se analizó la estabilidad local y global para las etapas más críticas del proyecto y se especificó el mantenimiento de bancos de suelo excavado para mantener equilibradas las cargas en algunas etapas intermedias. En la Figura 6 se muestran fotografías de la excavación según la secuencia propuesta.
Figura 6: Vista aérea de la obra de toma (izq.) y excavación de Casa de Bombas.
4 EXCAVACIÓN DEL ACUEDUCTO
Se proyectó un acueducto de acero de 3000mm de diámetro, que parte de la casa de bombas próxima al río, y luego de un corto recorrido, desemboca en una cámara, desde la cual continua con seis tramos rectos con cinco quiebres totalizando un recorrido de aproximadamente 3100m hasta su ingreso a la
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central. En su recorrido, el acueducto atraviesa tres tramos: i) Tramo 1: desde la obra de toma hasta la zona urbana, a través de una zona rural con interferencias; ii) Tramo 2: zona urbana; iii) Tramo 3: entre la zona urbana y la acometida a la isla de potencia. Para la instalación del caño se requerían 2.60m de tapada mínima y una cama de asiento de 0.50m. Entre la cama de asiento y el terreno natural de baja competencia mecánica se diseño la colocación de una capa de RDC. El relleno estructural necesario para garantizar el funcionamiento estructural del conducto se detalla en la Figura 7. La excavación típica es del orden de los 6.00 m a 7.00 metros.
Figura 7: Detalle del paquete de relleno estructural para el acueducto.
Dadas las condiciones variables en lo que refiere a longitud e interferencias a lo largo de la traza, se plantearon soluciones diferenciadas para cada uno de los tramos.
4.1 Tramo 1 y Tramo 3
Ambos tramos constituyen zonas rurales donde la disponibilidad de espacio no es una limitante. Se plantearon dos alternativas: i) tablestacado con puntales provisorios y marco metálico desplazable, que tiene como fin minimizar los movimientos de suelos, y ii) taludes 1.5H:1V, con el fin de simplificar la ejecución de contenciones y agilizar el procedimiento constructivo. La alternativa i) consta de dos pantallas de tablestacas vinculadas en su extremo superior a vigas reticuladas de 16.00m de longitud y separadas entre sí en 5.65m. Las vigas se unen en sus extremos mediante puntales, formando un marco dentro. La particularidad de esta alternativa es que permite apuntalar las tablestacas al mismo tiempo que permite la colocación de un tramo de caño de 15.00m de largo. En la Figura 8 se presenta un esquema de la alternativa propuesta.
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Figura 8: Procedimiento de excavación del Tramo 3 según la Alternativa I.
Finalmente, la alternativa que más se adaptó a los requerimientos de la obra fue la alternativa de taludes. En el Tramo III no hay edificaciones ni redes de servicios subterráneas que pudieran ser afectadas por las tareas de excavación, por lo que se consideró factible la excavación con taludes. La experiencia adquirida en excavaciones del mismo tipo realizadas en materiales similares ha demostrado que es factible adoptar, en forma temporaria, taludes mayores a los calculados teóricamente con los parámetros de resistencia al corte a largo plazo. Sobre esta experiencia se adoptaron taludes 1.5H:1V. Los suelos a excavar son arcillas de consistencia blanda. Un aspecto que es de fundamental importancia es el drenaje previo de los materiales, lo que mejora sustancialmente el comportamiento a corto plazo. El conducto se apoya en el estrato de suelo existente, previa colocación de una capa de RDC de 25cm. Luego se procede con el relleno de los laterales por volcado y tapada con el suelo extraído de la excavación sin necesidad de aplicar compactación adicional. Se instalaron dos líneas externas de depresión, separadas entre sí una distancia de 10 m, en pozos del orden de 10 m. Los taludes se mantuvieron estables durante toda la ejecución del acueducto. En la Figura 9 se muestra una fotografía de su construcción.
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Figura 9: Excavación del Tramo III del acueducto en taludes 1.5H:1V en PostPampeano.
4.2 Tramo 2
Para esta sección de 300m de longitud en zona urbana se adoptó una contención de tipo
posición vertical y de elementos que toman las luces entre los perfiles (tablones, premoldeados o de acero). Dependiendo del desnivel a salvar se colocan puntales. Es una solución de entibación temporal segura y económica para obras de pequeña a mediana envergadura, de mayor deformabilidad que los muros pantalla o de pilotes, no impermeable. En este caso era necesario salvar un desnivel de 5.50m, procurando limitar las deformaciones a nivel de calzada y utilizando el menor espacio posible debido a la cercanía de edificios de baja altura. Se adoptaron perfiles IPB 300 de 9.50m de longitud separados cada 2.00m, con 4.00m de ficha procurando que esté enterrada en la tosca en 1.50m. Se utilizaron puntales IPB 400 cada 8.0m para permitir la instalación de la sección de cañería. El procedimiento de construcción se resume de la siguiente manera: i) se realizan las perforaciones y se colocan y fijan los perfiles IPB asegurando la verticalidad, ii) se excava todo el tramo hasta cota +98.5, se contiene el suelo colocando tablones de madera y se colocan las vigas carrera y puntales ; iii) se excava todo el tramo hasta cota +94.0m colocando los tablones a medida que se avanza en profundidad; iv) se excava hasta cota +93.0 en tramos de 3.00m rellenando cada tramo con 0.50m RDC antes de comenzar una nuevo tramo. En la Figura 10 se indica la sección de cálculo y la contención ejecutada en obra.
Figura 10: Sistema de Muro Berlinés propuesto para el Tramo 2.
5 CONCLUSIONES
En este trabajo se presentaron las metodologías constructivas empleadas para la ejecución de una obra de toma y acueducto para la Central Térmica Ensenada Barragán. La obra de toma, de 15.0m de profundidad en suelos del PostPampeano fue diseñada para minimizar el plazo de construcción,
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asegurando en todo momento la seguridad al levantamiento de fondo. Mediante la utilización de bancos de suelo procedente del material excavado se logró equilibrar las etapas más críticas, disminuyendo considerablemente los tiempos de excavación y minimizando los empalmes de las armaduras de la losa de fondo. Se presentaron distintas alternativas de excavación para un acueducto de 3100mm de diámetro en suelos de la formación PostPampeano, en función de las limitantes inherentes a cada tramo en cuanto a construcciones linderas e interferencias. Para el tramo más largo que se desarrolla en una zona rural, se ejecutó finalmente una solución por medio de taludes 1.5H:1V estabilizados mediante el empleo de un sistema de bombeo permanente en el interior de la excavación. Los procedimientos descritos resultan de interés para la optimización de excavaciones en obras localizadas en la ribera del Río de la Plata, en las que se requiere enfrentar simultáneamente los desafíos geotécnicos impuestos por los suelos blandos superficiales, el reducido espesor del Pampeano y la elevada presión de agua del Puelchense.
6 AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen al consorcio ISOLUX-IECSA por su colaboración y autorización para publicar el material de este trabajo. En especial, a los ingenieros Alberto Schvartzman y Nicolás Buonarcorso por su colaboración a lo largo del proyecto.
7 REFERENCIAS
[1] Bolognesi, A. y O. Moretto, Propiedades del subsuelo del Gran Buenos Aires, 1Er CPMSC, I, 1959, 303-314. [2] Núñez, E., Geotechnical conditions in Buenos Aires City, V Int. Cong. IAEG, IV, 1986, 2623-2630. [3] Sfriso, A, Formación PostPampeano: predicción de su comportamiento mecánico, III Cong Lat Ing Geot Jóvenes, 1997, Caracas, Venezuela, 1-10.
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