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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

UNIDAD ZACATENCO

“ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO Y EVALUACIÓN DEL ESTADO DE SEGURIDAD DE LA PRESA LA SOLEDAD DE LA C.H. MAZATEPEC, PUEBLA”

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO CIVIL

P R E S E N T A :

ALAN ZAMORA FLORES

ASESOR: ING. RAÚL MANJARREZ ANGELES

MÉXICO, D.F., MARZO 2013

Análisis del comportamiento y evaluación del estado de seguridad de la presa La Soledad de la C.H. Mazatepec, Puebla.

AGRADECIMIENTOS

A DIOS

Por darme la oportunidad de vivir.

A MI ESPOSA

Por el amor que me brinda todos los días.

A MIS PADRES

Por su cariño y educación.

A MI ASESOR DE TESIS

Por su apoyo con entusiasmo y dedicación.

A LA COMISIÓN FEDERAL DE ELECTRICIDAD

Por la información y el apoyo técnico que brindan sus ingenieros.


ÍNDICE

Pág.

i

INTRODUCCIÓN. ....................................................................................................... iv

ANTECEDENTES. ...................................................................................................... vi

MARCO TÉORICO. .................................................................................................... vii

CAPÍTULO I.- GENERALIDADES. .............................................................................. 1

I.1 Ubicación. ........................................................................................................ 1

I.1.1 Hidrología. ................................................................................................. 2

I.1.2 Clima. ........................................................................................................ 2

I.1.3 Geología. .................................................................................................. 3

I.2 Referencia histórica. ........................................................................................ 4

CAPÍTULO II.- DESCRIPCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS. ......................................... 6

II.1 Cortina............................................................................................................. 7

II.2 Cimentación. ................................................................................................. 11

II.3 Galerías......................................................................................................... 11

II.4 Espolones. .................................................................................................... 13

II.5 Diques. .......................................................................................................... 13

II.6 Obra de toma. ............................................................................................... 15

II.7 Túneles 1, 2 y Pozo de oscilación. ............................................................... 16

II.8 Obra de excedencias. ................................................................................... 19

II.9 Ladera margen derecha. ............................................................................... 20

CAPÍTULO III.- SISTEMA DE AUSCULTACIÓN. ...................................................... 21

III.1 Sistema de Instrumentación. ........................................................................ 21

III.1.1 Telemedidor. ......................................................................................... 25


ÍNDICE

Pág.

ii

III.1.2 Calibrador extensométrico. ................................................................... 27

III.1.3 Clinómetro. ............................................................................................ 33

III.1.4 Coordenómetro. .................................................................................... 39

III.1.5 Colimador. ............................................................................................. 46

III.1.6 Termómetro. ......................................................................................... 55

III.1.7 Piezómetros abiertos. ........................................................................... 57

III.1.8 Recipiente graduado y cronómetro. ...................................................... 60

III.2 Inspecciones de seguridad. .......................................................................... 62

CAPÍTULO IV.- Solicitaciones. .................................................................................. 63

IV.I Azolve. .......................................................................................................... 63

IV.2 Sismicidad. .................................................................................................. 65

IV.3 Embalse, temperatura y lluvia. ..................................................................... 68

CAPÍTULO V.- ANÁLISIS DE RESULTADOS. .......................................................... 71

V.1 Cortina. ......................................................................................................... 71

V.1.1 Desplazamiento horizontales en el bloque central. ............................... 71

V.1.2 Desplazamientos angulares en el bloque central. ................................. 81

V.1.3 Abertura y cierre de juntas horizontales. ............................................... 83

V.2 Cimentación. ................................................................................................. 87

V.3 Espolones. .................................................................................................... 90

V.4 Laderas. ........................................................................................................ 90

V.5 Diques........................................................................................................... 94

V.6 Obra de excedencias. ................................................................................... 94

V.7 Obra de toma. ............................................................................................... 95


ÍNDICE

Pág.

iii

V.8 Túnel 1. ......................................................................................................... 95

V.9 Túnel 2 y pozo de oscilación. ........................................................................ 95

Conclusiones. ............................................................................................................ viii

Recomendaciones. ...................................................................................................... ix

Referencias. ................................................................................................................. x

Glosario. ..................................................................................................................... xii

Índice de tablas. ......................................................................................................... xv

Índice de figuras. ....................................................................................................... xvi


iv

INTRODUCCIÓN.

El objetivo principal de este documento es la presentación de los resultados del

análisis del comportamiento de la presa La Soledad, a través de la información

obtenida de su Sistema de Auscultación (S.A.) al 2012, para evaluar su estado y

finalmente conservar su seguridad.

La Comisión Internacional de Grades Presas encomienda al titular de una presa la

responsabilidad del cumplimiento de las normas de seguridad en todas sus fases,

de esta manera es de vital importancia tener un dictamen técnico donde se

presente los resultados del estado físico de las estructuras que integran una presa

o represa.

La seguridad de las presas de arco depende principalmente del estado físico de

sus elementos, comúnmente las fallas se presentan por la debilidad de la roca

basal; estas fallas se producen por desplazamientos de la cimentación o bien de

sus empotramientos y pueden ser causados por eventos sísmicos o erosión.

Gracias al S. A. de la presa La Soledad de la Central Hidroeléctrica Mazatepec se

puede obtener la respuesta de la estructura a todas las variables que la afectan,

por lo que es necesario analizar las gráficas obtenidas del Sistema de

Instrumentación junto con los resultados de las inspecciones de seguridad y

finalmente comparar los datos con los esperados en diseño.

En la parte inicial de la tesis se describen las generalidades de la Central como la

ubicación, la geología, la hidrología y su clima; en el mismo capítulo se exponen

datos y fotografías históricas de construcción.

Para el segundo capítulo se describe cada una de las estructuras que integran a la

presa, se mencionan datos técnicos y de diseño, así como su funcionalidad y el

comportamiento esperado de cada una.


v

El tercer capítulo habla sobre el S.A. instalado en La Soledad y se explica el

objetivo, funcionamiento, localización e interpretación de cada uno de los aparatos

que conforman el Sistema de Instrumentación de la presa.

En el cuarto capítulo se describen las variables analizadas para evaluar el

comportamiento de las estructura y también se presentan los máximos y mínimos

históricos de cada una.

En último capítulo presenta los resultados del análisis del comportamiento y se

concluye si la presa tiene una respuesta segura antes las diferentes cargas que

inciden en sus elementos.


vi

ANTECEDENTES.

En 1928 fue fundada la Comisión International de Grandes Presas conocida

mundialmente como International Commission on Large Dams (ICOLD), la cual es

una organización no gubernamental con el objetivo de promover el conocimiento y

la experiencia en la ingeniería mundial de presas.

Esta organización fue la primera en organizar foros dedicados a crear normas y

reglamentos para garantizar el buen aprovechamiento de las presas. Su principal

objetivo es establecer los requisitos y condiciones técnicas que deben cumplirse

durante las fases de proyecto, construcción, puesta en carga, explotación y estado

de fuera de servicio de las presas de embalses, en orden a alcanzar sus óptimas

condiciones de utilidad y seguridad que eviten daños a las personas, a los bienes

y al medio ambiente (ICOLD, 2013).

La presa La Soledad fue pionera en tener un diseño que procurara la seguridad

tanto en construcción como en su vida útil, para ello la Comisión Federal de

Electricidad (CFE) creó la Gerencia de Ingeniería Experimental y Control

encargada del monitoreo de todas estructuras generadoras de gran envergadura.

Actualmente la Subgerencia de Seguridad de Estructuras (SSE) de la CFE tiene la

responsabilidad del diseño, supervisión y monitoreo de todos los Sistemas de

Auscultación instalados en las principales estructuras de generación eléctrica en el

país.


vii

MARCO TÉORICO.

En ingeniería se denomina presa o represa a un muro grueso de piedra u otro

material, como hormigón; material suelto o granular, que se construye a través de

un río, arroyo o canal para almacenar el agua y elevar su nivel, con el fin de

regular el caudal, para su aprovechamiento en el riego de terrenos, en el

abastecimiento de poblaciones o en la producción de energía mecánica. La

energía mecánica puede aprovecharse de forma indirecta para producir energía

eléctrica, como en el caso de la Central Hidroeléctrica Mazatepec (Definición y

funciones de una presa, 2013).

Para conocer el comportamiento de la presa La Soledad es necesario analizar las

diferentes acciones que inciden en sus elementos, la ocurrencia con que se

presentan y su permanencia. Las principales acciones que se analizan son el

empuje hidrostático, el empuje de los sedimentos, la temperatura y el efecto ante

eventos sísmicos.

El empuje es la fuerza debida a la acción del agua o de materiales sueltos (azolve)

que actúa sobre las superficies de las estructuras de retención. El azolve que

acarrea la corriente se deposita en el vaso y ejerce empujes en el paramento agua

arriba de la cortina (Normas Técnicas Complementarias para el diseño y ejecución

de obras e instalaciones hidráulicas, 2004).

La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio

o frío y es medido con un termómetro (Wikipedia). La presa la soledad al estar

hecha de concreto es muy sensible al cambio de temperatura, por lo que un

cambio de temperatura incide directamente en los movimientos de la cortina

dependiendo de la estación del año.

Un sismo es un fenómeno de sacudida brusca y pasajera de la corteza terrestre

producida por la liberación de energía acumulada en forma de ondas sísmicas

(Wikipedia). Como cualquier estructura la presa La Soledad debe resistir antes los

fenómenos sísmicos que se presenten durante su vida útil.


viii

Para conocer el comportamiento de la presa durante y después de construcción

fue instalado un Sistema de Auscultación que permitiera obtener datos suficientes

para conocer el estado físico de las estructuras.

Un Sistema de Auscultación (S.A.) es el conjunto de técnicas que proporcionan

información acerca del comportamiento de una estructura, a fin de detectar

oportunamente problemas potenciales y minimizar riesgos, este se integra

principalmente por un Sistema de Instrumentación y por inspecciones plasmadas

en informes de seguridad.

Cabe señalar que el Sistema de Instrumentación (S.I.) es el conjunto de

instrumentos instalados estratégicamente que sirven para dar seguimiento

continuo del comportamiento de una estructura, proporcionando información

cuantitativa necesaria para evaluar y resolver problemas estructurales y

geotécnicos.

En el caso de la presa La Soledad, las fuerzas de carga y descarga causan

deformaciones y movimientos en la estructura, estos deben ser monitoreados por

un S.I. capaz de medir movimientos con precisión milimétrica.

El S.I. instalado en la presa permite obtener datos suficientes para detectar

cualquier anomalía y poder realizar acciones oportunas para corregir algún

comportamiento anormal (Mendoza Martínez, 2010).


ix

METODOLOGÍA.

La metodología empleada para la elaboración de este proyecto fue una

investigación documental, respaldada por los datos de las mediciones obtenidas

del Sistema de Auscultación de la presa la Soledad (1962-2012).

Parte de la información se obtuvo del Sistema de Información de Seguridad de

Estructuras (SISE) y de los informes de seguridad realizados por la Subgerencia

de Seguridad de Estructuras (SSE) de la Gerencia de Estudios de Ingeniería Civil

(GEIC) de la Comisión Federal de Electricidad (CFE).

Para la evaluación de la seguridad de la presa se graficaron los datos de las

mediciones en Excel y se compararon con los valores esperados de diseño, estos

resultados están respaldados por inspecciones en campo que verifican los datos

obtenidos por el S.I.


1

CAPÍTULO I.- GENERALIDADES.

I.1 Ubicación.

La presa La Soledad es parte de la Central Hidroeléctrica (C.H.) Mazatepec,

localizada sobre el cauce del río Apulco en el municipio de Tlatlauquitepec, en los

límites de Puebla con Veracruz, en las coordenadas 20°00’50.28’’ Latitud Norte,

97°24’30.37’’ Longitud Oeste (Figura 1).

La Central es administrada por el Sistema de Producción Sureste de la

Subgerencia Regional de Generación Hidroeléctrica Golfo de la Comisión Federal

de Electricidad (CFE), cuya función principal es la generación de energía eléctrica

a partir del aprovechamiento de la fuerza provocada por el flujo de agua.

Dicha Central cuenta con 4 unidades Toshiba con turbinas tipo Pelton con

capacidad de 55 MW, una capacidad efectiva de 220 MW y una generación anual

de 723 GWH; para lo cual utiliza el agua del río Apulco, del río Xiucayucan y otros

afluentes cercanos (Hernández Cruz & Montoya Beltrán, 2006).

Figura 1. Localización de la presa La Soledad. (Google, 2010).


2

I.1.1 Hidrología.

La presa La Soledad está dentro de la cuenca del Río Apulco, comprendida entre

las coordenadas geográficas 19°21’ y 19°58’ Latitud Norte y 97°23’ y 98°04’

Longitud Oeste. Tiene una elevación media de 1,420 m.s.n.m. hasta la confluencia

con el río Xiucayucan y una extensión total de 1,830 km2.

La cuenca tiene un gasto medio anual de 29.3 m3/s y un máximo histórico de 711

m3/s, lo que significa que todos sus afluentes producen un escurrimiento medio

anual de 906 millones de m3 (Tabla 1).

Tabla 1. Datos hidrológicos.

Cuencas Área km2 Río Apulco 1,460

Río Xiucayucan 280 Vasos auxiliares 90

Total 1,830 Gastos medios anuales Gasto m3/s

Río Apulco 17.3 Río Xiucayucan 6.5 Vasos auxiliares 5.5

Total 29.3 Máximo registrado 711

Escurrimiento medio anual Volumen millones de m3 Río Apulco 536

Río Xiucayucan 200 Cuencas auxiliares 170

Total 906 (Hernández Cruz & Montoya Beltrán, 2006)

I.1.2 Clima.

La zona tiene un clima húmedo sin estación seca bien definida y con

precipitaciones anuales del orden de 3,000 a 4,000 mm. La temperatura media

anual es de 20 °C con temperaturas diarias que fluctúan entre de 3 y 30 °C,

durante los meses de invierno las temperaturas varían bruscamente de una

semana a otra.


3

I.1.3 Geología.

El sitio se integra por formaciones volcánicas acumuladas en tres ciclos de

actividad de abajo hacia arriba (Figura 2):

Depósitos de toba gris azul densa y vitrificada homogénea, generados por el

enfriamiento de emisiones volcánicas ácidas, con un módulo de elasticidad

aproximado del orden de 180,000 kg/cm2 y con una resistencia a la compresión

superior a los 1,000 kg/cm2.

Toba café vitrificada y material volcánico fragmentado depositado en medio

acuoso. El módulo de elasticidad varía entre 15,000 kg/cm2 y 80,000 kg/cm2, pero

disminuye casi al 50 por ciento cuando se trata de muestras saturadas, la

resistencia varía entre 120 y 300 kg/cm2.

Arena pumítica suelta de alta permeabilidad y muy erosionable de origen

piroclástico, transportada y depositada en medio acuoso. En construcción fue

necesario remover totalmente esta arena del área de desplante de la cortina,

espolones, diques y vertedor.

Figura 2. Corte geológico del sitio (Dawson, Garay Romo, & Cabrera, 1989).


4

I.2 Referencia histórica.

La presa La Soledad fue la primera en su tipo en América Latina, cuyo diseño fue

elaborado por la empresa italiana Electroconsult, las obras iniciaron en diciembre

de 1955 con la construcción de más de 100 km de brechas para comunicar todos

los frentes de trabajo.

En 1958, la constructora ICA desvió temporalmente el cauce del río Apulco, para

aislar la zona de trabajos por medio de la construcción de un túnel de desvío de

380 m de longitud y dos ataguías de materiales graduados.

Así en febrero de 1960 inició la construcción de los primeros colados (Figuras 3, 4

y 5), mismos que se terminaron en diciembre de 1961.

El volumen total de concreto colado en la bóveda y en los espolones fue de

aproximadamente 120,000 m3 con alturas de 1.5 m, para su realización fue

necesario construir en sitio una planta que produjera 45,000 t. mensuales de

gravas y arenas.

Finalmente, el 18 de septiembre de 1962 es inaugurada la Central Hidroeléctrica

Mazatepec por el Presidente Adolfo López Mateos acompañado por los

expresidentes Adolfo Ruiz Cortines y el Gral. Lázaro Cárdenas (Fundación ICA,

1962).

Figura 3. Construcción de la cortina (Archivo fotográfico C.H. Mazatepec).


5

Figura 4. Construcción de la obra de excedencias (Archivo fotográfico C.H. Mazatepec).

Figura 5. Construcción de obra de toma (Archivo fotográfico C.H. Mazatepec).


6

CAPÍTULO II.- DESCRIPCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS.

La presa La Soledad se construyó dentro de una garganta estrecha de ancho

variable, tiene una abertura de 30 m a la Elev. 720 m.s.n.m. y 90 m a la Elev. 785

m.s.n.m., a partir de la última cota se abre considerablemente hasta la Elev. 820

m.s.n.m. En la figuras 6 y 7 se visualizan las principales estructuras de la presa.

1. Cortina. 2. Diques. 3. Obra de toma. 4. Obra de excedencias 5. Espolones.

Figura 6. Localización de estructuras principales (Mendoza Martínez, 2010).

Figura 7. Presa La Soledad, Puebla (Zamora Flores, 2012).

El cemento empleado para la construcción de la presa fue Portland tipo II, de bajo

contenido de álcalis, así como puzolanas naturales, asegurándose mediante

control de laboratorio, que cumpliera con las normas ASTM (American Society for

testing and materials).

4

2

5

5 1

3

2


7

Las mezclas de concreto se diseñaron para una resistencia a 28 días de 250

kg/cm2 y un contenido de cemento más puzolana de 250 kg por metro cúbico.

Para efectuar el mezclado se utilizó un sistema de dosificación por peso:

• Los agregados se pesaron acumulativamente.

• El cemento y la puzolana se pesaba por separado.

• El agua de mezclado se medía con un tanque de rebose.

• Las mezcladoras estacionarias utilizadas fueron de 1.5 m3 de capacidad.

Se controló la proporción de ingredientes, el revenimiento, el contenido de aire y el

peso volumétrico del concreto fresco, así como la resistencia a compresión simple

de cilindros de 15x30 cm después de fraguado. El valor medio de la resistencia a

compresión simple a los 28 días fue de 280 kg/cm2 y su coeficiente de variación

fue del 14 por ciento para el concreto de la bóveda.

II.1 Cortina.

Dentro de la boquilla se encuentra la cortina u obra de retención, tipo arco-cúpula o de doble curvatura (Figura 8), con una altura máxima de 91.5 m y una abertura

de 154 m a nivel corona (Tabla 2). Esta estructura tiene dos paramentos, el que

está en contacto con el vaso formando el extradós y el segundo que es visible

desde aguas abajo formando el intradós.

Tabla 2. Características de la cortina.

Cortina Tipo arco-bóveda Altura máxima 91.5 m

Espesor máximo en la base 14 m Espesor de la corona 2.5 m

Elevación de la corona 806.5 m.s.n.m. Longitud de la corona 154 m

Cuerda a la altura de la corona 120 m Relación cuerda/altura 1.3:1

(Hernández Cruz & Montoya Beltrán, 2006).


8

Figura 8. Cortina de concreto tipo arco-bóveda (Zamora Flores, 2012).

Debido a las características diferentes de deformabilidad de la roca, se dejaron

dos juntas constructivas que atraviesan la cortina, la junta sub-horizontal superior

y sub-horizontal inferior, estas separaciones tienen por objeto permitir

deformaciones independientes (Figura 9).

La cortina se puede dividir en los siguientes elementos:

1. Corona. 2. Cúpula central. 3. Tapón. 4. Pulvino.

5. Desagüe de fondo. 6. Juntas subhorizontales.

Figura 9. Esquema de los elementos principales de la cortina (Mendoza Martínez, 2010).

1

2

3

4

5

6


9

Corona, localizada en la Elev. 806.5 m.s.n.m., tiene una longitud de 210 m y está

conformada por dos parapetos: uno de concreto hacia aguas abajo y uno metálico

tubular hacia aguas arriba; estas estructuras auxiliares dan seguridad al tránsito

que atraviesa de lado a lado la cortina (Figura 10).

Figura 10. Corona de la cortina (Zamora Flores, 2012).

Cúpula central, llamada placa, es una estructura simétrica respecto a un plano

vertical que pasa por la ménsula central y en la cual están situados los centros de

los arcos horizontales, su geometría está diseñada para que el comportamiento

sea también simétrico (Figura 11).

Figura 11. Cúpula central (Zamora Flores, 2012).


10

Tapón, está situado bajo la cúpula central y tiene dimensiones asimétricas por

tener que adaptarse a morfología del cañón.

Pulvino, o estructura de continuidad entre la cúpula central y la roca de

cimentación en ambas márgenes, tiene forma asimétrica que se adapta a la

morfología local; su función principal es recibir los empujes de la cúpula central y

de la carga hidrostática para transmitirlos a la roca de cimentación.

Desagüe de fondo, es una estructura que se utilizó para regular el volumen de

agua en el vaso, se localiza en la Elev. 750 m.s.n.m. ligeramente hacia margen

izquierda respecto al eje central (Figura 12). Se conforma por una toma con

compuerta rectangular protegida mediante una estructura con rejillas en la cara de

aguas arriba, una tubería de acero de 1.88 m de diámetro que atraviesa la cortina

en un espesor de 7.10 m, y una válvula de chorro hueco Howell Bunger de 1.88 m

de diámetro con capacidad de descarga estimada en 72.7 m3/s.

Figura 12. Desagüe de fondo fuera de operación (Zamora Flores, 2012).


11

II.2 Cimentación.

El tratamiento de la roca de cimentación tuvo el objetivo de impermeabilizar,

consolidar y drenar la roca influenciada por la cortina, además se hicieron

inyecciones en el contacto concreto-roca.

La pantalla de impermeabilización está constituida por dos series o hileras de

barrenos: unas aguas arriba y otras aguas abajo del eje de la cortina; la

separación final entre centros de barrenos fue 5 m. Esta pantalla se ejecutó desde

la galería de la cortina hasta una profundidad de 100 m en la parte central y hasta

40 m debajo de los espolones. Las pruebas de permeabilidad y la inyección fueron

por tramos descendentes de 5 m. Las presiones de inyección, por metro de

profundidad del tramo inyectado, fueron de 0.2 y 0.6 kg/cm2 para las hileras aguas

arriba y aguas abajo, respectivamente. Se perforaron 6,900 m de barreno EX y el

consumo de cemento promedio fue de 225 kg por metro.

La pantalla de consolidación consistió en tres hileras inyectadas de barrenos EX.

Las situadas aguas arriba y aguas abajo se perforaron fuera de la traza de la

cortina y la hilera intermedia se hizo desde la galería de la cortina. La longitud de

los barreno varió entre 15 y 30 m dentro de la roca. Se perforaron 4,800 m de

barrenos; el consumo promedio de cemento fue de 75 kg por metro.

La pantalla de sutura se formó a partir de la galería de la cortina con tres hileras

de barrenos de 10 m de longitud dentro de la roca. Se perforaron aprox. 18,000 m

de barrenos EX, y el consumo promedio de cemento fue de 40 kg por metro.

La pantalla de drenaje se efectuó desde la galería de la cortina y desde ambas

márgenes en la roca, perforando aproximadamente 5,500 m de barrenos NX.

II.3 Galerías.

Las galerías forman un sistema de túneles excavados en roca que permiten el

acceso a la base de la cortina, a lo largo del pulvino y a través de las laderas, se


12

utilizaron para el tratamiento de inyección y actúan como sistema de drenaje de la

presa. Alojan parte del Sistema de Auscultación y se recorren periódicamente

como parte del programa de inspección para la evaluación de la seguridad de la

cortina (Figuras 13 y 14) (Dawson, Garay Romo, & Cabrera, 1989).

Figura 13. Vista en corte de galerías (Mendoza Martínez, 2010).

Figura 14. Vista en planta de galerías (Mendoza Martínez, 2010).

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110102030405060708090100110120

47.2

2.6

47.1

70.019.9

34.5 16.5

51.0

37.3

50.0

30.0 20.0

39.0 31.0

3.6

51.1

2.6

33.222.5

32.49.5

30.0

32.3

25.1

715

720

725

730

735

740

745

750

755

760

765

770

775

780

785

790

795

800

805

744.0

776.5

719.0

13

41 2 3 1514

16 17111075 8 96 1819

715

806.5

M.I.M.D.

M.I.M.D.

Galería espolón Izq.

Galería Espolón Izq. Galería Espolón der.

Galería espolón der.

Galería ladera Izq.

Galería espolón der. Galería del arco

Galería ladera Izq.

Galería ladera der.

Galería del arco


13

II.4 Espolones.

Los espolones son dos estructuras de gravedad de concreto, una por cada margen, cuya función es soportar la parte superior de la cúpula central y transmitir

la carga a las laderas, sin que estén sujetas a carga hidrostática directa. Su

ubicación es en el último tercio superior de la cortina aguas abajo (Figura 15).

En condiciones normales de trabajo, los esfuerzos teóricos máximos trasmitidos

hacia las laderas son aproximadamente de 20 kg/cm2 para la roca de cimentación

y 53 kg/cm2 para el concreto de la bóveda. Cuando se incluye el efecto del sismo,

dichos valores se incrementan a 27 y 68 Kg/cm2 respectivamente (Sánchez Trejo,

1962).

Figura 15. Espolón izquierdo (Zamora Flores, 2012).

II.5 Diques.

Los diques son dos cuerpos laterales de concreto, uno por cada margen, de altura variable entre 16 a 36.5 m. El de margen izquierda tiene una longitud de 460 m (Figura 16) y el derecho tiene 600 m (Figura 17).


14

Figuras 16 y 17. Dique izquierdo (izq.) y dique derecho (der.) (Zamora Flores, 2012).

Estas estructuras trabajan por gravedad y con ayuda de sus contrafuertes, de 18 a

4.35 m de base, sirven para contrarrestar el empuje del embalse y azolve. Los

diques tienen como función ayudar a la presa a lograr el cierre hidráulico del área

de la boquilla, cada uno cuenta con una galería de inspección que permite el

drenaje.

El eje longitudinal de los diques en ambas márgenes, llega casi normal al

paramento de aguas arriba de los espolones, la unión entre estos elementos

estructurales se hizo mediante juntas libres (Figura 18).

Figura 18. Junta espolón dique, MI (Zamora Flores, 2012).


15

La sección horizontal de una de estas juntas muestra que el dique se une al

espolón en un tramo de 2 m, a partir del paramento aguas arriba del dique,

formándose así la junta libre (Figura 19). De esa sección queda una separación

entre el concreto del dique y del espolón de 3 cm, rellenada con corcho asfaltico;

al centro de esta junta efectiva se dejó un pequeño hueco para llenarse

posteriormente con material bituminoso derretido.

1. Junta libre. 2. Hueco relleno de material bituminoso. 3. Sello de hule aguas arriaba. 4. Láminas de cobre. 5. Junta perimetral. 6. Espolón. 7. Dique

Figura 19. Junta espolón-dique (Dawson, Garay Romo, & Cabrera, 1989).

II.6 Obra de toma.

La obra de toma (Figura 20) es el conducto por el cual entra el agua del vaso para

ser conducido hasta la casa de máquinas, cuenta con una caseta de control, una

compuerta y una rejilla que impide el paso de basura (Tabla 3).

Aire


16

Tabla 3. Características de la obra de toma.

Número de tomas 1

Gasto máximo por toma 52 m3/s

Compuertas rodantes (n°, l x a) 1, 4 x 4 m

(Mendoza Martínez & Elena Torralba, 2003)

Figura 20. Obra de toma (Zamora Flores, 2012).

II.7 Túneles 1, 2 y Pozo de oscilación.

El túnel número 1 conduce las aguas del río Xiucayucan hacia el vaso La Soledad

previamente captadas por la presa derivadora Atexcaco. Parte de la conducción

superficial pasa por un canal revestido de concreto llamado canal Atexcaco. La

tabla 4 muestra sus características principales y la figura 21 su la localización.


17

Tabla 4. Características de los túneles.

Compuertas deslizantes (n°, diámetro) 2, 4 x4 m

Longitud total 10 500 m

Inclinación 0.22/60.3 grados

(Mendoza Martínez & Elena Torralba, 2003).

Figura 21. Localización de los túneles 1 y 2 (Hernández Cruz & Montoya Beltrán, 2006).

El túnel número 2 conduce las aguas de los ríos Apulco y Xiucayucan para su

aprovechamiento en la planta (Figura 22). La entrada del túnel está situada en la

margen izquierda de la presa, a la Elev. 765 m.s.n.m. La pendiente del túnel es de

0.00384 en toda su longitud de 6,570 m. Su sección transversal es circular de 4 m

de diámetro interior, diseñada para un gasto máximo de 52 m3/s (Sánchez Trejo,

1962).


18

Figura 22. Túnel de presión número 2 (Sánchez Trejo, 1962).

El túnel está revestido en casi toda su longitud, de una capa de concreto simple,

con espesor medio de 0.60 m. En la estación 6+310; es decir, 50 m antes de llegar

al pozo de oscilación (estación 6+360), el revestimiento de concreto simple cambia

a un revestimiento con camisa de acero.

El pozo de oscilación es una estructura metálica tubular de 79.28 m de altura, con

un diámetro interno de 360 mm, revestido con un cilindro hueco de 35.52 m de

altura y 1,200 mm de diámetro. Su principal función es disipar la energía hidráulica

a cualquier cambio brusco de potencia demandada en casa de máquinas y así

evitar el fenómeno del golpe ariete.

A la salida del túnel la conducción se efectúa mediante una tubería de acero que

pasa a través de una lumbrera de 60° con la horizontal y que alimenta las cuatro

ruedas Pelton de la casa de máquinas. En el km. 5+324.6 dentro del túnel se

encuentra una curva horizontal con una deflexión de 25° hacia la derecha.


19

II.8 Obra de excedencias.

Esta estructura está formada por una obra reguladora (Figura 23) compuesta por

cinco compuertas radiales con sus respectivas casetas de control y un vertedor

(Figura 24) con capacidad de 7500 m3/s (Tabla 5).

Tabla 5. Datos técnicos de la obra de excedencias.

Elevación de la cresta 798.50 m.s.n.m.

Longitud total de la cresta 55 m

Gasto máximo de descarga total 7,500 m3/s

Compuertas radiales (n°, l x a) 5, 11 x 15 m

Elev. labio superior compuertas 804.5 m.s.n.m.

Gasto máximo (avenida de diseño) 8,000 m3/s

(Mendoza Martínez & Elena Torralba, 2003).

Figura 23. Obra de excedencias (Zamora Flores, 2012).


20

Figura 24. Canal vertedor (Zamora Flores, 2012).

II.9 Ladera margen derecha.

Debido a las fracturas encontradas en la superficie de la boquilla, fisuras

separadas entre sí de 30 a 200 cm y con longitudes de 10 a 30 m., se reforzó la

margen derecha con un sistema de anclas, entre las elevaciones 740 y 770

m.s.n.m., compuesto por 11 elementos de 50 m de longitud y tensados a 140

toneladas cada uno.


21

CAPÍTULO III.- SISTEMA DE AUSCULTACIÓN.

III.1 Sistema de Instrumentación.

La instrumentación tiene por objetivo conocer el comportamiento durante una

construcción y a lo largo de su vida útil, para detectar oportunamente cualquier

anomalía que se presente y poder realizar acciones inmediatas para corregirla, y

así contar con los elementos necesarios para evaluar en todo momento su

seguridad, sobre todo después de la ocurrencia de eventos extraordinarios

(sismos, crecidas de río, tormentas, etc.).

Las mediciones se realizan con la frecuencia que establece el programa definido

por el ingeniero responsable del comportamiento de la presa y de la

instrumentación de acuerdo con los procedimientos específicos tanto para la toma

de lecturas, como para los cálculos que se realizan para cada aparato.

La brigada de medición deberá elaborar un informe que incluya todas las

mediciones, cálculos realizados, una relación del estado de los aparatos y

estaciones de medición; señalando las necesidades de mantenimiento y

reparación. Con esta información se elaboran gráficas que permitan analizar el

comportamiento y la seguridad de la presa.

La instrumentación de la Soledad contempla un conjunto de aparatos y estaciones

de medición como se muestra en las figuras 25 y 26, la tabla 6 detalla la

información de cada uno de los instrumentos, su variable a medir, su localización y

el nombre de su estación.


22

Figura 25. Red de colimación (Mendoza Martínez, 2010).

Figura 26. Instrumentación en la presa La Soledad (Mendoza Martínez, 2010).


23

Tabla 6. Sistema de instrumentación de la presa la Soledad, Puebla.

Instrumento (Cantidad) Variable que mide

Estructura donde se localiza

Estaciones

Coordenómetro (3)

Desplazamientos horizontales en dos

direcciones perpendiculares (x,y) de una plomada

Cortina, ménsula central P-1 al P-3

Clinómetro óptico (14)

Giros en dirección radial y tangencial y

desplazamientos horizontales indirectos.

Ménsula central C-1 al C-5 Espolón derecho D-1 al D-4

Espolón izquierdo I-1 al I-4

Ladera izquierda E-C

Estación meteorológica (1)

Precipitación, temperatura y humedad Canal Atexcaco SOLEDAD

Acelerógrafo (2) Aceleraciones Cortina SOLCC y SOLI

Calibrador extensométrico

(28)

Abertura y cierre de juntas entre dos puntos cercanos

Junta subhorizontal

superior

SHS-16 SHS-6 SHS-17

Junta subhorizontal

inferior

SHI-16 SHT-4 SHI-6 SHT-8 SHI-17

Cortina-espolón Derecho

DHS DIS DHI DII

CA16-1

Cortina-espolón izquierdo

IHS IIS IHI III

CA11-17

Pulvino-Cortina 8-17 16-4

Bloque-bloque

SH4-5 SH5-6 SH6-7 SH7-8


24

Instrumento (Cantidad) Variable que mide

Estructura donde se localiza

Estaciones

G4-5 GPG

G6G(G6-5) G6-7

Colimador (11) Desplazamientos lineales perpendiculares al plano

vertical de colimación

Espolón derecho

C1-MM1 C2-MM2 C4-MM2 C5-MM2

Ménsula central de la cortina

C1-MM3 C2-MM3 C5-MM3

Espolón izquierdo

C2-MM4 C4-MM4 C5-MM4 C1-MM5

Telemedidor (2) Abertura y cierre del

conjunto de grietas entre dos puntos lejanos

Ladera derecha GMD Ladera

izquierda GMI

Termómetro (1) Temperatura máxima y mínima Ladera

izquierda TMM-MI

Piezómetros (75) Nivel de agua freática Dentro de galerías -

Recipiente graduado y cronómetro

Gasto de filtraciones Dentro de galerías -

(Hernández Cruz & Montoya Beltrán, 2006)

En la presa La Soledad las mediciones son realizadas por una brigada en sitio, la

cual está encargada de mandar mensualmente los resultados por medio de una

remisión, la tabla 8 muestra el programa de mediciones semanal.

Existen 8 tipos de aparatos en el S.I. de La Soledad, cada uno tiene su propio

funcionamiento, proceso de medición e interpretación; en los siguientes subtemas

se detalla cada uno de ellos.

Tabla 7. Programa semanal de mediciones para la presa la Soledad, Pue.


25

Lunes Martes Miércoles Jueves Viernes 7:00-11:00 h 7:00-11:00 h 7:00-9:30 h 7:00-11:00 h 7:00-12:00 h Filtraciones y niveles piezómetros en galerías izquierda y derecha. Termómetro embalse Telemedidores MD:T1 MI: T2

Colimación C1-MM1, C1-MM3, C1-MM5, C2-MM2, Colimación C2-MM3, C2-MM4. Termómetro embalse

Coordenómetros P-1, P-2, P-3. Clinómetro C-1,C-2,C-3, C-4, C-5,D-1, D-2, D-3, D-4, D-5, I-1, I-2, I-3, I-4 E.C.

Colimación C3-MM1, C4-MM2, C4-MM4, C5-MM2, Colimación C5-MM3, C5-MM4. Termómetro embalse

Calibradores extensométricos SH6-7, SH7-8 SHT-8, 8-17 SH5-6, SH4-5 Calibradores extensométricos SHT-4, 4-16, SHI-6, G-P-G, G6-5, G6-7, SHI-17, G-4-5, SHI-16, SHS-16, DHI, DII, DJV, DHS, DIS, CA-17-II, HIS, IIS, IHI, III, SHS-17. Termómetro embalse

11:30-15:00 h 11:30-15:00 h 10:00-15:00 h 11:30-15:00 h 12:30-15:00 h

Cálculos numéricos en oficina





(Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).

III.1.1 Telemedidor.

El telemedidor es usado para medir las deformaciones de la roca en una longitud

determinada por la ubicación de los apoyos que forman parte de estos aparatos,

este se constituye por dos apoyos unidos por un mecanismo, integrado por dos


26

lentes, dos prismas, una escala, un espejo y un contrapeso, con el que se observa

los desplazamientos del alambre (Figuras 27 y 28).

Figura 27. Telemedidor de cinta (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).

Figura 28. Telemedidor de cinta invar (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).

Funcionamiento.

El contrapeso (entre 6 y 8 kg según la longitud del alambre), mantiene el alambre

siempre en tensión constante. Cuando la distancia entre los apoyos aumenta o

disminuye, el alambre desplaza la escala y cambia la lectura; si la distancia se

acorta, la lectura se reduce y si la distancia se alarga, la lectura se incrementa. Al


27

instalar el aparato se procura que la primera lectura o base, esté en la mitad del

rango de medición (aproximadamente 20 mm).

Proceso de lectura.

La lectura se efectúa observando a través del ocular, la escala que está graduada

en décimas de milímetro. La imagen del lente del ocular se puede regular a la vista

de cada operador mediante un tornillo para enfoque, se usa el espejo para inducir

luz a la escala.

Proceso de cálculo.

a) Se calcula la diferencial entre la lectura actual (LA) y la lectura base (LB).

𝐷 = 𝐿𝐴 − 𝐿𝐵 Ecuación 1.

b) Interpretación. Si la diferencia (D) resulta positiva significa que la distancia entre

soportes aumentó, es decir ocurrió un alargamiento de la longitud entre los apoyos

y si resulta negativa significa que ocurrió un acortamiento.

III.1.2 Calibrador extensométrico.

Es el instrumento utilizado para medir la abertura o cierre de juntas, está

constituido principalmente por dos barras de acero invar, ambas con terminación

en punta cónica, una de ellas fija y otra móvil, un resorte interior y un micrómetro

de carátula en el cual se efectúa la medición. El rango del aparato es de 5 mm con

una precisión de 0.001 mm (Figuras 29 y 30).


28

Figura 29. Calibrador extensométrico y dima (Zamora Flores, 2012).

Figura 30. Calibrador extensométrico. (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996)

Funcionamiento.

El aparato está diseñado de tal forma que al introducir las puntas del calibrador en

las pijas de la estación de medición, el resorte se comprime y le transmite el

movimiento al vástago del micrómetro accionando, a su vez, los indicadores del

cuadrante.

Desde la fabricación del aparato el resorte tiene cierta comprensión a la que

corresponde el cero en la carátula del micrómetro, cuando esta comprensión

aumenta la lectura en el micrómetro también aumenta hasta un máximo de 5 mm,

que es lo que determina el rango del aparato (Figuras 31 a 33).


29

Figura 31. Posición de equilibrio (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).

Figura 32. Posición de instalación (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).

Figura 33. Posición máxima del resorte (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).

Proceso de lectura.

a) Colocación del aparato. El aparato se toma por el asa con una mano y con

la otra se guía la punta móvil para que entre en una de las pijas de apoyo,

sin soltarlo se guía la punta fija, comprimiendo el resorte, hasta que entre

en la pija correspondiente.

b) Toma de lectura. Una vez colocado el aparato en la estación, se realiza la

medición tomando primero la lectura en la escala de la media luna y


30

después tomando la lectura de la escala circular exterior y sumándola a la

anterior teniendo cuidado en la posición del punto decimal.

c) La escala de la media luna permite leer milímetros y décimas de milímetros,

está graduada de uno a cinco milímetros con subdivisiones cada 0.2 mm.

La escala circular exterior permite leer décimas, centésimas y milésimas de

milímetro, está graduada de tal forma que una vuelta completa de la aguja

representa justamente una subdivisión de la escala de la media luna (0.2

mm), por lo que cada subdivisión es de 0.001 mm (Figuras 34 y 35) (Colina

Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).

Figura 34.Indicar tipo Compac Geneve (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).

Precisión: 0.001 mm

Rango: de 0 a 5 mm


31

Figura 35. Indicador tipo Galileo (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).

d) Se toma una lectura directa y otra inversa en cada estación. En las

estaciones verticales, la lectura directa se toma con el indicador de

cuadrante hacia arriba y la inversa con el indicador hacia abajo. La

medición directa de las estaciones horizontales se obtiene con la carátula

del indicador de cuadrante a la derecha y la inversa al lado izquierdo.

Corrección por Dima.

Para verificar el buen funcionamiento del aparato y para evaluar la corrección que

debe hacerse a las mediciones por el cambio de temperatura que ocurre en el

transcurso de las mediciones y por el eventual desgaste de las pijas de apoyo, se

cuenta con un sistema de referencia llamado “dima”.

La dima consta de dos barras paralelas de acero invar sujetas a dos placas

también de acero invar, las cuales tiene en su parte interior dos pares de apoyo de

acero inoxidable, uno de ellos con una separación entre placas de 700 mm y otro

de 701 mm (Figura 36).

Precisión: 0.002 mm

Rango: de 0 a 5 mm


32

Figura 36. Dima (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).

Antes de iniciar las mediciones de cada día, se debe tomar la lectura de “entrada

dima” siguiendo el método antes mencionado. Se toman dos lecturas, la lectura

directa y la lectura inversa, ambas se deben hacer en el mismo para de apoyos de

la dima. Cuando se termina la rutina del día se toma la lectura “salida dima” de la

misma manera (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).

Proceso de Cálculo.

a) Se calcula la corrección por dima correspondiente al día de medición.

𝐴 = 𝑃𝐷1−𝑃𝐷22

Ecuación 2.

Dónde:

𝐴 Corrección por dima.

𝑃𝐷1 Promedio entrada dima.

𝑃𝐷2 Promedio salida dima.

b) Para cada estación se calcula la lectura promedio (P).

c) A esta lectura promedio se le aplica la corrección por dima del día,

obteniendo de esta manera la lectura promedio corregida PC (PC=P-A).


33

d) Para terminar el cálculo se efectúa la diferencia (D) entre la lectura base

(PB) y la lectura promedio corregida (PC).

𝐷 = 𝑃𝐵 − 𝑃𝐶 Ecuación 3.

Donde “D” representa la abertura o cierre de la junta o grieta instrumentada.

e) Interpretación

El signo de la diferencia “D” nos indica una abertura si es positivo (+), o un

cierre si éste es negativo (-).

III.1.3 Clinómetro.

Es el instrumento que mide giros en las estructura de la Central, en los apoyos en

roca y en diversos sitios que interesa controlar, está constituido por el dispositivo

de medición (parte superior) y por una base metálica de 80 cm de longitud,

provista en su parte inferior de tres pijas de apoyo (Figura 37). El rango de

medición del aparato es de un grado (1°) y la precisión de dos segundos (2”).

Figura 37. Clinómetro (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).


34

Funcionamiento.

Su funcionamiento es similar al de un nivel de burbuja (alta precisión) y consiste

en nivelar el dispositivo de medición utilizando para ello una perilla micrométrica la

cual permite bajar o subir el mecanismo registrando una lectura (Figura 38).

Figura 38. Dispositivo de medición (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).

Proceso de lectura.

La estación de medición consistente de una base con seis pijas donde se coloca el

aparato y la cual se limpia previamente (Figura 39), se debe tener cuidado de no

apoyarse en el clinómetro, se gira la perilla micrométrica hasta que la burbuja del

dispositivo queda centrada. Para facilitar el centrado se mira a través de la

ventanilla que se localiza en el lado izquierdo del dispositivo, en ésta se observan

dos medias imágenes mediante un espejo, el centrado se logra cuando hay

continuidad entre ambas (Figuras 40 y 41).


35

Figura 39. Medición con clinómetro (Zamora Flores, 2012).

Figura 40. Burbuja del nivel (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).

Figura 41. Esquema de la escala de minutos (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).

Una vez centrado, se leen las escalas del dispositivo teniendo cuidado de no

mover la perilla micrométrica:


36

a) Se lee los minutos (‘) en la ventanilla lateral o frontal, en ambas se tendrá

mismo valor (Figura 42). En las escalas de los minutos cada marca

representa una unidad (1’), tienen 60 marcas en total, lo que constituye un

grado (1°) y están indicados los números de los minutos cada cuatro

unidades, es decir, 0, 4, 8,…,60.

Figura 42. Esquema de perilla micrométrica (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).

b) A continuación se leen las escalas de los segundos (“) en las ventanillas

adjuntas a la perilla micrométrica las cuales están alojadas en el cono

truncado superior. En las escalas de los segundos cada marca corresponde

a dos unidades, cada media vuelta de la perilla micrométrica corresponde a

un minuto, es decir a 60” (Figura 42), la escala contienen número a cada

10”.

Siempre deberán leerse las escalas del mismo color ya que al utilizar

escalas a color diferente obtendríamos una lectura errónea, es decir, sí se

leen los minutos en la ventanilla lateral que contiene número negros de

deberán leer los segundos marcados con negro, en cualquiera de las

ventanillas superiores.

c) En cada estación se realizan dos lecturas denominadas “directa” e

“inversa”, la diferencia entre ambas es de 180°. La posición del aparato al

realizar cualquier medición será con el apoyo único hacia la dirección que

se desee medir.


37

La lectura directa en sentido radial o del río se tomará hacia aguas abajo,

por lo tanto la inversa se realizará con dirección aguas arriba.

Para las mediciones en sentido tangencial la lectura directa se tomará hacia

margen izquierda y la inversa hacia la margen derecha (Figura 43).

Por convención de signos la lectura directa es siempre negativa y la inversa

es positiva, se debe tener cuidado para que esta convención sea siempre

respetada.

Figura 43. Dirección directa de la corona (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).


Se calcula el promedio (LA).

LA = 𝐿𝐷+𝐿𝐼2

Ecuación 4.

Donde:

LD Lectura directa [mm]

LI Lectura inversa [mm]


38

LA Lectura actual [mm]

Se calcula la diferencia (D) que representa el giro medido en el sitio

instrumentado.

𝐷 = 𝐿𝐵 − 𝐿𝐴 Ecuación 5.

Interpretación.

El signo de esta diferencia indicará hacia donde giró la estructura en el punto

donde se midió, de modo que si resulta positivo será hacia aguas abajo (radial) o

margen izquierda (tangencial) y si resulta negativo será hacia aguas arriba o

margen derecha (Figura 44 y 45).

Figura 44. Giros sentido radial (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).


39

Figura 45. Giros sentido tangencial (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).

III.1.4 Coordenómetro.

Es el instrumento que es utilizado para determinar la posición del alambre de un

péndulo mediante coordenadas, lo que permite conocer los desplazamientos

horizontales de las estructuras en dos direcciones perpendiculares entre sí.

El coordenómetro tiene una parte fija llamada base y otra móvil que porta un

dispositivo de medición óptico, una perilla micrométrica graduada y un indicador

de cuadrante (Figura 46).

Figura 46. Coordenómetro (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).


40

El dispositivo de medición óptico está formado por dos prismas en los extremos de

la parte móvil, dos objetivos intermedios, un prisma colector central y un ocular de

observación (Figura 47).

Figura 47. Partes del coordenómetro (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).

El indicador de cuadrante está graduado con una escala en milímetros que va de 0

a 30 mm, lo que constituye el rango del aparato (Figura 48).

Figura 48. Indicador de cuadrante (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).


41

La perilla micrométrica está graduada con una escala en la que cada división

corresponde a un desplazamiento de 0.02 mm, lo que constituye la precisión de

aparato (Figura 49).

Figura 49. Perilla micrométrica (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).

Funcionamiento.

Se manipula la perilla micrométrica para desplazar la parte móvil del aparato hacia

la derecha o hacia la izquierda hasta que se tiene la posición de lectura, la cual

está determinada por la imagen del alambre del péndulo en el ocular.

Esta imagen está constituida por dos mitades que corresponden a las visuales de

los prismas derecho e izquierdo del aparato, que forman un triángulo imaginario

con distancias conocidas (Figura 50).

Figura 50. Imágenes del alambre en el ocular (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).


42

Toma de Lecturas.

Para conocer las dos coordenadas (x,y) que determinan la posición del alambre

del péndulo se debe obtener un juego de tres lecturas (Lx, Lyl y LyD),

manipulando la perilla micrométrica del aparato (Figura 51).

La lectura Lx se obtiene al igualar la imagen derecha con la izquierda del alambre

de péndulo, hasta observar una sola línea, sin importar su posición relativa en la

retícula.

La lectura Lyl se obtiene centrando en la retícula la imagen izquierda del alambre

del péndulo, sin importar donde quede la otra imagen.

La lectura LyD se obtiene centrando en la retícula la imagen derecha del alambre

del péndulo, sin importar donde quede la otra imagen.

Figura 51. Obtención de la lectura Lx (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).

Lectura de los valores de las variables.

Los valores de las variables se obtienen leyendo los enteros en el indicador de

cuadrante (milímetros) y en la perilla micrométrica las décimas y centésimas del

milímetro.


43

Debido a que puede existir un ligero desajuste en la aguja del indicador de

cuadrante se deberá tomar en cuenta lo siguiente:

a) Cuando se inicia una vuelta en la perilla micrométrica: En este caso la

lectura en el indicador de cuadrante (escala de los milímetros) será el

número más cercano al que marque la aguja.

b) Cuando en la perilla micrométrica la lectura se aproxime (pero no llegue) al

100: En este caso la lectura del indicador de cuadrante será el número

anterior al que marque la aguja.

Para verificar que la medición realizada ha sido correcta se promedian las lecturas

Lyl y LyD, si el resultado es igual a Lx±0.02 mm se dará por terminada la medición

de esta estación

𝐿𝑥 =𝐿𝑦𝑙+𝐿𝑦𝐷

2± 0.02 𝑚𝑚 Ecuación 6.

Proceso de datos.

Se calculan las seis variables siguientes:

𝑆1 = 15 − 𝐿𝑦𝑙 Ecuación 7.

𝑆2 = 15 − 𝐿𝑦𝐷 Ecuación 8.

𝑥1 =𝑆1+𝑆22

Ecuación 9.

𝑦1 =𝑆2+𝑆12

Ecuación 10.


44

𝑥 = 𝑥1 − 𝐿𝐵𝑥 Ecuación 11.

𝑦 = 𝑥1 − 𝐿𝐵𝑦 Ecuación 12.

Donde:

𝐿𝑦𝑙 𝑦 𝐿𝑦𝐷 Son variables obtenidas en campo [mm].

𝐿𝐵𝑥 𝑦 𝐿𝐵𝑦 Son lecturas que se toman poco tiempo después de instalado

el péndulo, cuando el nivel del embalse es mínimo y la

temperatura es igual o casi igual a la temperatura media y se

denominan lecturas base [mm].

𝑥,𝑦 Son los desplazamientos horizontales de la estructura [mm].

Interpretación.

Si el desplazamiento resulta positivo en la dirección x, el movimiento de la

estructura es hacia aguas abajo y si resulta negativo hacia aguas arriba. En la

dirección y, el desplazamiento positivo es hacia margen izquierda y el negativo

margen derecha (Figura 52).

Figura 52. Interpretación de los movimientos (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).


45

Factores que afectan la interpretación.

a) Posición del péndulo con respecto a la del coordenómetro.

En general, cuando se está instrumentando mediante péndulos las

estructuras de una central hidroeléctrica se hace todo lo posible para que el

hilo del péndulo tenga un aposición similar a la base del coordenómetro en

todos los sitios instrumentados, si la posición de alguna estación cambia se

tendrá que tomar en cuenta este cambio y basta con cambiar de signo las

lecturas Lyl, LyD y Lx (Figura 53).

Figura 53. Posiciones del coordenómetro (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).

b) Ampliador del campo.

Cuando el sitio instrumentado se ha desplazado de tal manera que el hilo

del péndulo quede fuera del campo visual del aparato será necesario utilizar

el ampliador del campo, el cual sirve para desplazar una distancia fija ya

conocida (20 o 40mm) en el sentido x o y según sea el caso. Las lecturas

obtenidas deberán afectarse con la cantidad desplazada, sumando si este

desplazamiento es hacia agujas abajo o hacia margen izquierda y restando

si se coloca hacia aguas arriba o hacia margen derecha (Figura 54).


46

Figura 54. Ampliador de campo eje X (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).

III.1.5 Colimador.

Es el instrumento que se usa para determinar los movimientos de una presa o

estructura a partir de los desplazamientos de puntos localizados en el

coronamiento de esta (puntos móviles), con respecto al alineamiento establecido

entre dos puntos fijos ubicados fuera del área de influencia de dicha estructura.

Los puntos fijos están definidos uno por la estación donde se instala el aparato y

otro por la mira fija instalada en roca (Figura 55).


47

A) Telescopio. B) Collar de enfoque. C) Collar de enfoque de la retícula. D) Tornillo nivelador. E) Tornillo micrométrico para los movimientos verticales. F) Tornillo micrométrico para los movimientos horizontales. G) Fijador de la posición vertical del telescopio. H) Fijador de la posición horizontal del telescopio. I) Nivel desmontable. J) Burbuja del nivelador desmontable. K) Prisma de centrado de la burbuja del nivel.

Figura 55. Colimador óptico (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).

El colimador está constituido por una base con tres apoyos esféricos, dos de los

cuales están provistos de tornillos niveladores, un nivel desmontable, un

telescopio cuyo soporte tiene instalados diversos tornillos para el control de las

posiciones tanto en sentido horizontal como vertical; el telescopio puede girar 360°


48

sobre un plano horizontal y ±35° sobre un plano vertical; la lente tiene un objetivo

de 80 mm de diámetro y 60x de aumento, lo que permite ver claramente las miras.

Dado que el colimador en sí no permite leer ninguna escala, para realizar una

medición es necesario auxiliar de miras fijas y móviles.

Para el funcionamiento de este aparato basta con obtener una imagen nítida en el

ocular del telescopio, nivelar y fijar la posición de medición mediante los tornillos

de movimiento que a continuación se definen:

• El tornillo E controla los movimientos verticales del telescopio, los cuales se

fijan mediante el tornillo G (Figura 55).

• El tornillo F permite el movimiento del colimador sobre un plano horizontal y

el tornillo H fija esta posición (Figura 55).

Mira fija. Está constituido por una placa con perforaciones en sus extremos para

poder instalarlas anclada en la roca mediante pijas, en su parte central tiene

dibujada una mariposa de referencia (Figura 56).

Figura 56. Tipos de miras fijas (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).

Mira móvil. Está formada por una placa, también con una mariposa de referencia, un vernier, un tornillo micrométrico para poderla desplazar en sentido horizontal, y está montada en una base metálica triangular que tiene en su parte inferior 3 apoyos esféricos (Figura 57 y 58).


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Figura 57. Mira móvil (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).

Figura 58. Mira móvil (Zamora Flores, 2012).

El rango de medición del vernier es de 100 mm con una precisión de 0.1 mm

(Figura 59). Para dar movimiento en sentido horizontal a la mira es necesario

únicamente accionar el tornillo micrométrico.


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Figura 59. Vernier de mira móvil (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).

Es muy importante la posición de la mira móvil con respecto a las estaciones de

colimación, ya que la lectura del vernier aumenta hacia aguas abajo, si la estación

de colimador está en margen derecha y disminuye si dicha estación se localiza en

margen izquierda: esto hay que tenerlo bien presente al realizar los cálculos

(Figura 60).

Figura 60. Determinación del desplazamiento de la presa según la margen en donde se coloque el colimador (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).

Transportador. Es una base giratoria graduada de 0° a 360°, que se coloca entre

la mira móvil y su base de apoyo, la que permite que la orientación de la línea de

colimación y la propia mira sea siempre perpendicular. Para orientar el


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transportador perpendicular a la línea de colimación se le hace girar sobre su base

hasta colocarlo en el ángulo requerido, esta posición se fija ajustando el tornillo

central. (Figura 61)

Figura 61. Base circular con transportador (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).

Procedimiento de lectura.

La medición consiste primero en definir el plano de colimación o de referencia, la

cual se establece al apuntar el colimador correctamente nivelado hacia la mira fija

centrando la retícula en la mariposa de referencia. Cuando el operador logra

centrar la retícula, el plano de colimación queda definido y se fija el aparato para

impedir cualquier movimiento horizontal.

Después, se gira verticalmente el telescopio y se enfoca hasta localizar y

visualizar con claridad la mira móvil, cuando esto se ha logrado, se fijan los

movimientos verticales y se puede iniciar el proceso de lectura.

Para efectuar una lectura se requiere dos operadores, uno para el colimador y otro

para la mira móvil. El operador del colimador hace señas con banderolas al

operador de la mira móvil para que accione el tornillo micrométrico hasta observar

que quede centrado el hilo vertical de la retícula del colimador en la mariposa de la

mira móvil.

En esta posición el operador de la mira toma la lectura del vernier y después de

anotarla desplaza la mira móvil para repetir el procedimiento anterior.


52

Se realizan dos series de cuatro observaciones cada una para todas las

estaciones de medición. En una misma serie la diferencia entre lecturas deberá

ser pequeña (de 0.5 mm) en caso contrario se deberá visar la mira fija

nuevamente y nivelar de nuevo.

Al iniciar la segunda serie es necesario volver a observar la mira y comprobar que

el aparato sigue debidamente nivelado, de no ser así se procederá a realizar los

ajustes correspondientes antes de efectuar las lecturas. Si la diferencia entre los

valores promedio de la primera y la segunda serie son mayores a 0.5, se deberá

repetir el procedimiento.

Nivelación del colimador.

Es muy importante nivelar el aparato antes de iniciar el procedimiento de lectura

porque de ello depende que el sistema de referencia sea siempre el mismo; si el

aparato esta desnivelado, se genera un error que influye en la medición pudiendo

tener lecturas falsas (Figura 62)

Figura 62. Efectos de la falta de nivelación (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).


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Para nivelar el colimador, se coloca el aparato en la estación de medición, incluyendo el nivel desmontable, y se procede de la siguiente manera:

a) Se centra la burbuja moviendo uno de los tornillos niveladores instalados en

dos de los apoyos de la base del colimador.

b) Se gira el aparato un cuarto de vuelta (90°) y se centra la burbuja moviendo

el segundo tornillo nivelador.

c) Se regresa el aparato a su primera posición y se repite el procedimiento

moviendo ligeramente los tornillos hasta lograr que la burbuja no se

desplace.

d) Para comprobar que el aparato esté debidamente nivelado la burbuja debe

permanecer centrada para cualquier orientación del mismo.

Proceso de Cálculo.

Se vacían los datos de la medición como indica la tabla 8 y se calculan los

promedios de las series con las ecuaciones 13 y 14.

Tabla 8. Hoja de cálculo para colimación.

1ª. Serie a1 a2 a3 a4 P1 2ª. Serie b1 b2 b3 b4 P2 PROMEDIO

𝑃1 = 𝑎1+𝑎2+𝑎3+𝑎44

Ecuación 13.

𝑃2 = 𝑏1+𝑏2+𝑏3+𝑏44

Ecuación 14.

Se calculan la Lectura Actual (LA) utilizando el promedio de los resultados

obtenidos en el inicio anterior:

𝐿𝐴 = 𝑃1+𝑃22

Ecuación 15.


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Para obtener el desplazamiento se efectúa la diferencia entre la lectura base y la

lectura actual, de acuerdo con las siguientes fórmulas:

𝐷 = 𝐿𝐵 − 𝐿𝐴 Si el colimador está en MI Ecuación 16.

𝐷 = 𝐿𝐴 − 𝐿𝐵 Si el colimador está en MD Ecuación 17.

Donde:

D es el desplazamiento ocurrido a la fecha de medición

LB es la lectura base o inicial

Interpretación de resultados.

La comparación de la lectura inicial o base con las subsecuentes muestra el

movimiento ocurrido a las diferentes fechas de medición. Por convención, los

desplazamientos positivos indican que el movimiento es hacia aguas abajo y los

negativos hacia aguas arriba (Figura 63).

Figura 63. Interpretación de colimación (Zamora Flores, 2012).


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III.1.6 Termómetro.

Este aparato se utiliza para medir la temperatura ambiente, máxima y mínima,

generalmente en diversos puntos de la presa, consiste en un tubo de cristal en

forma de “U”, el cual contiene mercurio (Figura 64).

Figura 64. Termómetro de máximas y mínimas.

Tiene dos columnas graduadas donde se puede tomar la temperatura ambiente;

en la derecha se registra la temperatura máxima y esta graduada de -40 a +50

grados centígrados y en la columna izquierda se indica la temperatura mínima y la

escala es de +50 a -40 (°C). La división mínima en la graduación es de un grado y

cada columna contiene una marca metálica donde se toma la temperatura máxima

y mínima.

El mercurio del termómetro es sensible al cambio de temperatura, por lo que se

encuentra en constante movimiento. Dicho movimiento empujará hacia arriba las

marcas metálicas de un lado o de otro y luego bajará pero las marcas se quedarán

en el punto al que fueron empujadas registrando la temperatura máxima y mínima

(Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).


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Procedimiento de lectura.

La lectura de la temperatura actual se debe de tomar en la marca de la graduación

que coincide con la parte superior del mercurio, puede realizarse en cualquiera de

las dos columnas, y deben tener el mismo valor. Se acostumbra a tomarla

sistemáticamente en la columna de la derecha.

La lectura de temperatura mínima, se observa en la escala indicada por la parte

inferior de la marca metálica de la columna izquierda, la máxima en la parte

inferior de la marca metálica de la columna derecha.

Después de realizar las lecturas se toma un imán, con el cual, las marcas

metálicas se unen a la parte superior del mercurio de ambas columnas.

Proceso de datos.

Se calcula la temperatura promedio diaria, a partir de las lecturas máximas y

mínimas como se indica en la ecuación

𝑇𝑝𝑟𝑜𝑚 = 𝑇𝑚𝑎𝑥+𝑇𝑚𝑖𝑛2

Ecuación 18.

Donde:

𝑇𝑝𝑟𝑜𝑚 es la temperatura promedio [°C].

𝑇𝑚𝑎𝑥 es la temperatura máxima [°C].

𝑇𝑚𝑖𝑛 es la temperatura mínima [°C].


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III.1.7 Piezómetros abiertos.

Los piezómetros abiertos se utilizan para conocer la posición del nivel freático o

piezométrico en el subsuelo, está constituido por tubería de PVC de ¾” de

diámetro ranurado en su extremo inferior (Colina Beltrán & Montoya Beltrán,

1996).

Esta tubería se instala dentro de un barreno, alrededor de la parte ranurada se

coloca material filtro limpio de partículas finas, el resto del barreno se

impermeabiliza mediante lechada de cemento bentonita.

Según el diámetro del barreno es posible colocar dos o tres tuberías con el fin de

que este sea aprovechado para medir niveles en diferentes estratos o

profundidades. En la superficie el barreno y el piezómetro se protegen mediante

una caja metálica o de concreto con tapa (Figura 65).


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Figura 65. Esquema de un piezómetro (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).

Funcionamiento.

El agua penetra en el bulbo y sube en la tubería hasta el nivel equivalente a la

presión que tiene agua en el punto de medición (posición del bulbo).

Toma de lecturas.

Para conocer el nivel freático o piezométrico se introduce en el tubo el cable

graduado de la sonda eléctrica hasta que el vástago sensor que tiene en su

extremo toca el agua, en ese momento se cierra el circuito que acciona un

amperímetro o un foco indicador localizado en el carrete de la sonda, se verifica la

posición del gua sacando e introduciendo varias veces la sonda (Figura 66).


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Figura 66. Medición de piezómetros abiertos (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).

La posición del agua se determina midiendo la longitud de sonda dentro del

barreno ayudándose de las marcas graduadas de la sonsa y de un fluxómetro.


Cuando se realiza la medición mediante sonda eléctrica es necesario restar a la

cota del brocal la profundidad a la que se registró el nivel del agua.

𝑁𝑖𝑣𝑒𝑙 𝑝𝑖𝑒𝑧𝑜𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 = 𝐶𝑜𝑡𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑏𝑟𝑜𝑐𝑎𝑙 − 𝑝𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 Ecuación 19.


60

III.1.8 Recipiente graduado y cronómetro.

Estos aparatos sirven para determinar los caudales de filtración en galerías de

drenaje y puntos aislados de la presa, permiten aforar las filtraciones de los

barrenos de drenaje (Figura 67) y el gasto de las canaletas de aforo (Figura 68).

Figura 67. Aforo de barrenos (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).

Figura 68. Aforo de canaletas (Colina Beltrán & Montoya Beltrán, 1996).


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Los barrenos de drenaje son perforaciones realizadas en la roca o concreto de la

zona que se quiere drenar, con la finalidad de reducir presiones indeseables que

puedan causar problemas en la estructura. Generalmente estos barreno son de 3

pulgadas y se emboquillan con tubería de PVC para canalizar la filtración y poder

aforarla. La longitud, dirección y separación de los drenes se proyecta de acuerdo

a cada sitio y problema existente.

Proceso de medición.

Caudal o gasto de filtración es el volumen de agua que filtra por un dren en la

unidad de tiempo.

Para efectuar la medición del caudal se utiliza un cronometro y un recipiente

graduado, cuyo volumen dependerá del caudal de filtración que se tenga en el

barreno, pudiendo ser desde 1 hasta 100 lt de capacidad.


El gasto para barrenos de drenaje se calcula mediante la siguiente fórmula:

𝑄 = 𝑉T Ecuación 20.

Donde:

Q= es el caudal o gasto de filtración (L/seg).

V=Volumen de filtración (L).

T=Tiempo de llenado (seg).


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III.2 Inspecciones de seguridad.

Todas las estructuras no instrumentas necesita una inspección cualitativa que permita comparar la evolución a través del tiempo de su estado físico. La Subgerencia de Seguridad de Estructuras programa dos inspecciones al año con la cuales se tiene información cualitativa de las estructuras.

Los reportes generados sirven para determinar el estado de las estructuras por medio de una inspección visual en campo y permiten emitir recomendaciones para conservar en buenas condiciones su estado de seguridad


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CAPÍTULO IV.- SOLICITACIONES.

IV.I Azolve.

El principal problema de la Central es la acumulación de azolve tanto en las

proximidades de la cortina como en la obra de toma, la figura 69 muestra el

historial del incremento del nivel de azolve con respecto al lecho del río Apulco.

Según el estudio batimétrico de octubre de 2009 el vaso muestra la reducción de

casi el 77 % de la capacidad útil de proyecto (Tabla 9).

Tabla 9. Disminución de la capacidad útil del vaso en millones de m3.

Capacidad de Diseño

Capacidad útil del vaso

Junio 2005

Noviembre 2005

Diciembre 2006

Julio 2007

Octubre 2008

Octubre 2009

40* 10.397 9.994 10.239 10.868 9.424 9.227

*Proyectada por Electroconsult, Milán, Italia (División Hidrométrica Golfo, 2009).

Figura 69. Historial de azolve próximo a la cortina, 1962-2008 (Mendoza Martínez, 2010).


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La acumulación de troncos, sedimentos y basura próxima a la obra de toma ha

producido el desgaste de las turbinas de casa de máquinas. En consecuencia se

necesita la reparación frecuente y sustitución de los álabes que al final

incrementan los costos de operación.

Muchos han sido los esfuerzos y métodos empleados para contrarrestar la

acumulación del azolve, desde poner represas de retención hasta reforestar

terrazas para retardar el proceso de erosión, sin embargo ningún método ha

funcionado por completo (Gerencia de Ingeniería Civil, 2005).

Es importante mencionar que a pesar de la

instituto politÉcnico nacional escuela ......en la parte inicial de la tesis se describen las...

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