Diseño Geotécnico de presas de gran altura de enrocamiento con cara de concreto Aspectos Fundamentales

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MEXICO
DISEÑO GEOTÉCNICO DE PRESAS DE GRAN
AL TURA DE ENROCAMIENTO CON CARA DE
CONCRETO
ASPECTOS FUNDAMENTALES
ESPECIALIDAD: INGENIERÍA CIVIL
Juan de Dios Alemán Velásquez
Maestro en Ingeniería
Mecánica de Suelos
24 de enero de 2013

Diseño geotécnico de presas de enrocanhiento con cara de concreto. Aspectos fundamentales
CONTENIDO
Página
Resumen ejecutivo 3
1 Introducción 4
2 Zonificación de una presa de ECC según 6
ICOLD
3 Diseño Geotécnico de una presa de ECC 10
de Gran Altura según la práctica en CFE.
Aspectos fundamentales
31 Zonificación 12
3,2 Características de los materiales 2A, 13
2B y 3A utilizadas en México 13
3.2.1 Material 2A 14
3.2.2 Material 213 14
3.2.3 Material 3A 17
3.3 Pruebas de campo y laboratorio para 19
determinar las cara terísticas de los
materiales 3B, Ty 3C.
3.3.1 Pruebas de laboratorio índice 20
3.3.2 Pedraplenes de prueba 21
3.3.3 Pruebas de odometro gigante 26
3.3.4 pruebas triaxiales 27
3.4 Análisis númericos esfuerzo 28
deformación para predecir el
comportamiento de la presa 28
3.4.1 Selección de parámetros
3.4.2 Análisis númericos esfuerzo-
deformación 34
3.5 Comportamiento de la presa durante
construcción y primer llenado 34
3.5.1 Propiedades índice de los materiales
utilizados en la Presa 36
3.5.2 Asentamientos y filtraciones
medidos
4. Conclusiones 37
S. Agradecimientos 39
6 Referencias 39
Especialidad: Ingeniería Civil 9

Diseño geotécnlco de presas de enrocamiento con cara de concreto. Aspectos fundamentales
RESUMEN EJECUTIVO
El diseño de las presa de enrocamiento con cara de concreto (PECC o
CFRD por sus siglas en inglés) ha sido generalmente empírico, es decir,
basado en los precedentes y en la extrapolación de estos precedentes,
sin realizar estudios de campo y laboratorio detallados para determinar
las características esfuerzo- deformación de los materiales a utilizar, ni
ejecutar análisis númericos que permitan predecir el posible
comportamiento de la estructura.
Esta práctica funcionó más o menos bien durante muchos años, pero no
era raro que algunas presas presentaran asentamientos excesivos,
daños en la cara de concreto y filtraciones de consideración, que
generalmente eran reparados o aceptados con cierta resignación.
ID Sin embargo, las fallas de las presas Mohale, Barra Grande, y Campos
Novos, las cuales presentaron filtraciones desde 0.6 m3/s hasta más 2
ID m3/s, o el fracturamiento de las losas observadas en presas como
S
Tianshenqiao, hicieron dudar a la comunidad ingenieril mundial sobre la
conveniencia de este tipo de presas.
Afortunadamente, el excelente comportamiento de la presa Aguamilpa,
El Cajón, terminadas en 1994 y 2006, respectivamente, así como el
comportamiento observado hasta ahora en la presa La Yesca (cuyo
llenado del embalse inicio en abril de 2012), han permitido confirmar
que es posible diseñar este tipo de presas de una manera confiable,
siempre que se realicen estudios de campo (estudios de bancos de
materiales, pedraplenes de prueba) y laboratorio (odometros gigantes)
1, en los materiales que se utilizarían en las diversas zonas de la presa, y
se ejecuten análisis numéricos esfuerzo-deformación que permitan
predecir su comportamiento durante construcción y primer llenado.
Igualmente debe reconocerse que sin la cuidadosa instrumentación de
D cada una de las obras y el monitoreo de su comportamiento, no habría
sido posible validar categóricamente los referidos criterios de diseño.
En este documento presentamos los criterios de diseño y construcción
D
utilizados en la Comisión Federal de Electricidad (es decir, la experiencia
mexicana) para los estudios, el diseño y la construcción de este tipo de
presas, los cuales han permitido lograr proyectos seguros y confiables.
Especialidad: lngenieria C vil
1
1

Lil
Diseño geotécnico de presas de enrocamiento con cara de concreto. Aspectos fundamentales
c
CL Uno de los aspectos más importante de estos criterios es la
especificación de las características o propiedades que cada zona del
enrocamiento debe tener para asegurarse de que cumple
c. adecuadamente su función, a saber:
C Las características del material 213 para que por un lado sea
C
efectivo como apoyo de la losa de concreto y por otro
mantenga acotadas las filtraciones ante el eventual
agrietamiento de la misma
( La granulometría del material 3A para cumplir su función de
filtro de la zona 213
( Las propiedades de la transición entre las zonas 313 y3C para
lograr una variación gradual de los módulos de deformabilidad
de las tres zonas.
( La necesidad de que todas las zonas del enrocamiento estén
constituidas por materiales con buena graduación de
partículas y con contenidos de grava y de arena mayores de
C. 40 y 15 por ciento, respectivamente, para asegurarse de que
c. no quedan porciones vulnerables por segregación, y
La conveniencia de agregar suficiente agua a cada capa de
C.. enrocamiento durante su compactación para minimizar la
relación de vacíos resultante.
Todos estos criterios tienen un sólido soporte científico derivado del
extenso y riguroso programa de investigación desarrollado
conjuntamente por la Comisión Federal de Electricidad y el Instituto de
Ingeniería entre 1960 y 1991 (Marsal, 1972, Marsal y Reséndiz, 1983).
Tal programa de investigación dio frutos sin paralelo en el campo de la
geotecnia en todo el mundo, pues generó casi la totalidad del
( conocimiento hoy disponible sobre los factores que afectan la resistencia
C
y las relaciones esfuerzo-deformación de los enrocamientos y gran parte
del que se tiene sobre el uso de esos materiales en las presas.
Palabras clave: Presas de enrocamiento con cara de concreto,
Concrete face rockfill damas, enrocamientos, deformabilidad,
pedraplenes de prueba, pruebas de odometro gigante, análisis
numericos esfuerzo-deformación.
el
c

1. INTRODUCCIÓN.
ID Las primeras presas de enrocamiento con cara de concreto (PECC o
S CFRD por sus siglas en inglés), fueron construidas a principios del siglo
pasado por las empresas mineras de California para almacenar agua,
aprovechando su experiencia en voladuras y la disponibilidad de roca
sana (Cooke, 1984, 1992, 1997). Estas primeras presas se construyeron
colocando el enrocamiento a volteo en alzadas de hasta 25 m. Como
S elemento impermeable utilizaron tablones de madera apoyados
directamente sobre una "piel" de roca colocada prácticamente a mano.
e Posteriormente la madera se sustituyó por una cara de concreto. El
ID
diseño, por supuesto, fue completamento empírico.
Este procedimiento se siguió utilizando hasta los años cincuentas en
presas de hasta 70-80 m de altura, la cuales se comportaron
satisfactoriamente. Sin embargo, a medida que las presas se fueron
haciendo más altas se presentaron problemas de altas filtraciones, lo
que motivó que las presas tipo ECC fueran perdiendo popularidad,
S
aunque la seguridad nunca estuvo comprometida. Era un hecho que la
alta deformabilidad del enrocamiento colocado a volteo no era
compatible con la rigidez de la cara de concreto.
ID Ante este problema y puesto que la necesidad de presas cada vez más
alta seguía presente, se comenzaron a construir presas de enrocamiento
ID con núcleo impermeable, las cuales con el desarrollo de la mecánica de
D suelos, fueron cada vez más altas y seguras. Durante los años 40's-60's
sólo se construyeron algunas presas de ECC de más de 80 m de altura
(Cooke, 1991) y en general presentaron problemas de altas filtraciones.
La última presa de más de 100 m construida con enrocamiento colocado
a volteo fue New Exchequer, en California, con 150 m de altura, la cual
presentó filtraciones de hasta 4 m3/s (Cooke, 1992).
A partir de los años 60's, con el advenimiento de los compactadores de
rodillos vibratorios se hizo evidente que la compactación mejoraba
notablemente las características de deformabilidad y resistencia de los
enrocamientos, permitiendo además, utilizar rocas menos competentes
en el cuerpo de la presa. Esto permitió retomar las presas de ECC como
una opción viable para alturas mayores que 80 m.
Durante este nuevo periodo (comenzado con la presa Cethana en
Australia, en 1971, de 110 m de altura), se introdujeron cambios en el
diseño del plinto, las juntas impermeables, y se comenzó a colocar como
soporte de la losa de concreto un enrocamiento de pequeño tamaño con
un cierto porcentaje de finos, proporcionando una superficie lisa y una

Diseño geotécnico de presas de enrocamiento con cara de concreto, Aspectos fundamentales
zona semipermeable que reducía de manera importante las filtraciones
aún cuando se presentaran agrietamientos en la cara de concreto.
D Conforme se fue adquiriendo experiencia se comenzaron a construir
presas de [CC cada vez de mayor altura, como Alto Anchicaya (1974,
140 m), Foz Do Areia (1981, 160 m), Aguamilpa (1994, 190 m) y
Tiangshenqiao (1997, 180 m), siguiendo un diseño empírico y basado en
el comportamiento de los proyectos precedentes (ver fig. 1).
160
60
1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1993 2000 2010 7070
Periodo Inicial Periodo de transición Periodo Moderno
Tendencia en ollera de presas ECC
)Cooke, 1997. Extendida a 2011)
1 StrawberryCreek 11, Aguamilpa ' 21. Yinzidu
2 Salt sprirgs ' 12 Yacombu ' 22. Peace(Pyomghwar dam (treightened)
3 Paredela ' 13 Xirigó ' 23. Barra Grande
4 Quioch r 14 Messochora ' 24. El calón
5New Exchequer ' 15 Boslonia ' 25. Campos Novos
8 Cethana F 16 ltd r 26. Judiannia
7 Archicaya ' 17 Tianshengqiao N. 1 ' 27. Shuibuya
8 Amia r 18 Wuluwati r 29 Jiangpinhe
9 khao Laem ' 19 Machadinho ' 29. Dongjing
10 Segredo ' 20 Anlamina " 30. La Yesca
Figura 1 Tendencias en altura de presas de cc por año de construcción (cooke,
1991, 1997, extendida a 2011)
Parecía que los criterios para el diseño y construcción de presas de
mayor altura ya estaban definidos, sin embargo, la falla de dos presas
de ms de 180 m de altura en brasil (Campos Novos y Barra Grande,
2005), sembraron dudas sobre el límite de altura de este tipo de presas,
afortunadamente, el excelente comportamiento de la presa El Cajón,
terminada en el 2006, permitieron afirmar que era posible diseñar este
tipo de presas de manera confiable, combinando la experiencia con
estudios de campo y laboratorio detallados y análisis númericos que
permitan predecir el comportamiento esfuerzo deformación de la
estructura.
En este trabajo presentaremos los criterios actuales utilizados en México
para el diseño geotécnico de presas de gran altura (mss de 150 m),
240
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Diseño geotécnico de presas de enrocainiento con cara de concreto. Aspectos t3ndamentales
basados en los conocimientos adquiridos durante los trabajos para el
diseño y construcción de las presas Aguamilpa, El Cajón y La Yesca.
2. Zonificación de una presa de ECC según ICOLD
Zonas del enrocamiento y sus propiedades
2.1 Zonificación de la presa
Para presas de enrocamiento con cara de concreto es común usar, de
acuerdo a la nomenclatura internacional, la zonificación y
recomendaciones de construcción que aparecen en los incisos siguientes
(International Committe of Large Dams, ICOLD, 2010, ver figs. 2 y 3).
Sin embargo, veremos en el inciso 3, que el seguir estas
recomendaciones sin un juicio ingenieril apropiado puede llevar a
proyectos que se comporten de manera inadecuada.
Lelo hrnn--arenoo no coheL
13 Rezaqo de proecci6n
2A Suelolmo—orenoso Bojo junto perimetral
23 Motefial procesado <75 mm
3A Tronsicón entre 23 y 33
.33 Enracamianta prinf: pal
Fig. 2 Zonificación y nomenclatura típica propuesta por ICOLD, 2010
Zona 1
La Zona 1 se compone de las Zonas lA y iB, los cuales se colocan en el
tercio o mitad inferior de la cara de concreto. Enseguida se describen
con detalle su función y características.

e
ce
Diseño gcotécnlco de presas de enrocamiento con cara de concreto. Aspectos fundamentales
Sección tronsversol en cauce
Zona Material Gronulonetr'mo
2A Filtro < 36 mm 0,4 ro
2B Roca triturada < 75 mm 0,4 m
ZA Enrocamiento < 0,4 m 0,4 m
38 Enrocamiento < 1,0 m 1,0 m
3C Enrocamiento < 2,0 m 2,0 m
Zonificación para una presa de ECC de roca sana
en cimentación sobre roca. (ICOLD, 201 0
Fig. 3 Detalle de zonificación de materiales en junta perimetral Plinto-losa
Zona lA
Es un limo no plástico (no cohesivo) o arena fina limosa no plástica
compactado ligeramente, que se coloca sobre el tercio o mitad inferior
de la cara de concreto, en la zona de tensiones en dirección del talud,
con el propósito tener un material que pueda migrar fácilmente y sellar
las grietas que pudieran producirse en la cara de concreto. Dicho suelo
se protege o se le proporciona mayor estabilidad cubriéndolo con el
material de la zona lB. No es recomendable un suelo con cierta
plasticidad o francamente arcilloso ya que probablemente no migre ante
el flujo de agua. Generalmente, este material se coloca en capas de 20 a
40 cm de espesor y se compacta ligeramente con un rodillo ligero o con
las orugas del tractor.
Zona lB
Material que da estabilidad y sirve de protección a la Zona lA contra
erosión por efecto de la lluvia (durante construcción ) y el oleaje
durante el llenado del embalse. Generalmente se trata de una rezaga
e
ce
ce
c
ce,
e
c
ce
e
e
ce
ce
ce
ce
e
e
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e
I)iseño geolécnico de presas de enrocanliento con cara de concreto. Aspectos fundamentales
c
mixta compuesta de grava-arenas, fragmentos de roca, limo, etc. Se
coloca en capas con espesor similar al lB y se compacta con 4 pasadas
( de rodillo liso vibratorio.
Zona2
Los materiales de esta zona proporcionan un apoyo uniforme y firme a
( la losa de concreto y funcionan, al mismo tiempo, como una barrera
C
semi-impermeable contra la posible filtración del agua. Generalmente,
se utilizan las siguientes subzonas:
C Zona 2A
e Se debe incluir esta zona debajo de la junta perimetral losa-plinto, como
se muestra en la Figura 3. Sirve como una zona con un módulo alto para
C
limitar la deformación de la losa en el perímetro y una permeabilidad
relativamente baja para reducir filtraciones. Según la ICOLD, esta zona
actúa también como filtro para retener limos en caso de que las juntas
perimetrales se abran y los sellos fallen. El tamaño máximo de partícula
( se ubica entre 19 y 37 mm, y corresponde a grava arena con limo bien
£ graduada, GW-GM. Se coloca en capas de 0,3 m de espesor.
ICOLD establece que el material debe cumplir con el criterio de filtros
en cuanto a retención y permeabilidad, por lo que el boletín No. 141
recomienda un % de finos menor que 5% (véase inciso 3.2.1).
Zona 2 (2B)
Grava arena poco limosa producto del procesamiento de aluvión o de
trituración de roca y, en caso necesario, mezclado con limo o arena
limosa, para obtener la granulometría especificada. Debe ser bien
t graduada con limo GW-GM y colocada en capas con espesores de 0,3 a
Ç
0,4 (Revisar espesores) m. Se recomienda que el ancho de esta zona
sea de 4 a 5 m (Sherard 1985; ICOLD 2010) como mínimo. Las
especificaciones de granulometría más usuales se presentan en la Tabla
1 (véase inciso 3.2.2)
o
o
o
C Especialidad: Ingeniería Civil 9
e

e
Diseño geotécnlco de presas de enrocanlienlo con cara de concreto. Aspectos fundamentales
C.
Tamiz
estándar US
Tamaño, en
mm
Porcentaje que pasa, por peso
Sherard '1985b5
/
ICOLD Boletín
70 (1989a)
Granulometría
modificada, límites
para la Zona 2B
(boletín 141)
3" 76.2 90-100 90-100 100
1%" 38.1 70-95 70-100 70-100
19.1 55-80 55-80 55-80
No. 4 4.76 35-55 35-55 35-60
No. 16 1.19 18-40
0.6 8-30 8-30
No. 50 0.297 6-18
No. 200 0.074 2-12 5-15 0-7 (no cohesivo)
Tabla 1. Granulometría para material 2B recomendadas por ICOLD, 2010
Zona 3
Es la zona principal de la cortina y consiste en enrocamiento y/o aluvión.
En general, se divide en cuatro subzonas: 3A, 313, 3C y 4, aunque
dependiendo de los materiales disponibles en el sitio, pueden ser
eliminadas algunas de ellas.
Zona 3A
La zona 3A es la transición entre la Zona 2 y el cuerpo principal de
enrocamiento. Está constituida por aluvión o roca de cantera procesada
de tamaño pequeño o gravas que permiten el libre drenaje del
enrocamiento y funcionan como filtro del material 213. Se coloca en
capas de espesor similar al del material 213 (03-0.4 m) . Esta zona se
debe compactar de manera similar al material 313 para alcanzar altos
módulos de rigidez y contribuir de manera eficiente al soporte de la
C. cara de concreto, limitando su deformación.
Zona 3B
Esta zona consiste comúnmente de enrocamiento con tamaño máximo
de 1 m, colocado en capas de 1 m de espesor y generalmente
compactado con 4 pasadas de un rodillo liso vibratorio de 10 t de masa
en el tambor. Para algunos proyectos, el número de pasadas se
determina con base en pruebas de campo. Para rocas blandas el agregar
agua (10 a 25 %del volumen de roca) y manejar capas más delgadas
c permite alcanzar densidades aceptables. También es posible manejar
capas más delgadas para grava-arenas.
t
e Especialidad: Ingenicria Civil 10
c

(
Zona 3C
1 Esta zona consiste de enrocamiento con tamaño máximo de 2 m
C
colocado en capas de 2 m de espesor y compactado con 4 pasadas de
un rodillo liso vibratorio de 10 t de masa en el tambor. Al igual que la
( zona 313, el espesor de capa y el numero de pasadas son ajustados en
función de las características del material. Esta zona prácticamente solo
C toma la carga debido a su peso propio, sin embargo puede influir en la
C
deformación de la cara de concreto si su asentamiento ante carga
sostenida es excesiva, por lo que es recomendable (aunque no lo
mencione el boletín 141) que su deformabilidad no sea extremadamente
diferente a la del material 313 para evitar agrietamientos en la cara de
( concreto como el ocurrido en la presa Aguamilpa (Alberro, 1998).
t Zona4
-. La zona consiste de fragmentos de roca de gran tamaño (mayor que 1
m), colocados con grúa o retroexcavadora. Su función principal es
proteger de la erosión contra lluvias o viento al material 3C. Permite
1 además dar una vista estética al talud aguas abajo de la presa.
1
3. Diseño geotécnico de presas de ECC de gran altura según la
práctica en CFE. Aspectos fundamentales
e
C
En 1992 J. B. Cooke afirmaba que el diseño de las presas de
enrocamiento con cara de concreto era totalmente empirico (es decir,
ç basado en la experiencia práctica y no en la teoría) y se basaba en los
precedentes y la extrapolación de estos precedentes. Hoy, 20 años
C. después, tomando en cuenta las recomendaciones dadas en el boletín
141 del ICOLD (ICOLD, 2010), el cual no menciona la necesidad de
determinar las propiedades de deformabilidad de los enrocamientos ni
C de ejecutar análisis numéricos para predecir el comportamiento de la
presa, podemos concluir que las cosas no han cambiado mucho desde
C entonces. En efecto, salvo algunas excepciones, la práctica común del
diseño de este tipo de presas sigue siendo puramente empírico, sin
C estudios completos sobre la deformabilidad de los enrocamientos ni
análisis númericos del posible comportamiento futuro de la presa.
e Este práctica de realizar diseños completamente empíricos provocó que
un buen número de proyectos presentaran problemas de filtraciones, al
C grado que ya desde el 2002 había fuertes críticas al comportamiento de
C
las presas de ECC, como lo demuestra el comentario de Anthiniac que
reproducimos a continuación:
e Especialidad: Ingenieria Civil II
e

e
Diseño geotécnico de presas de enrocanliento con cara de concreto. Aspectos fundamentales
c
( "Yet the first impounding of CFRDs is ah too often accompanied by
leakage, sometimes on an impressive scale, which disturbs the
C operation of the schemes, diminishes their profitability, and requires
C costly remedial measures, the efficiency of which can be uncertain. The
owners of such dams are disenchanted and wrongly believe that leakage
is an inherent flaw of CFRDs." (Anthiniac et al, 2002).
"The safety of the dams was never called into question, since the
C
materlals of which they are made enable water to flow out freely without
causing any damage, but the leakage rates were deemed to be too high,
given the type of dam and the functions involved. Moreover, the current
trend is to accept increasingly high leakage rates, implying that leakage
( is not a danger." (Anthiniac et al, 2002)
C. Esta crítica comprobó su certeza con el comportamiento de las presas de
C
Mohale (en Sudáfrica), Barra Grande y Campos novos, en Brasil (fig.4),
las cuales sufrieron rotura de losas y filtraciones del orden de m3/s.
Afortunadamente, el comportamiento de la presa Aguamilpa (1994), El
Cajón en 2006, y la Yesca, en 2012, ha permitido demostrar que es
posible realizar un diseño mas racional de una presa de este tipo, no
únicamente basado en la experiencia, sino tambien en el estudio de las
propiedades de deformabihidad y resistencia de los enrocamientos, y en
la ejecución de análisis númericos que permitan predecir su
comportamiento esfuerzo deformación y definir el nivel de esfuerzos a
que estará sujeta las losas.
En los siguientes incisos presentaremos los criterios de estudios y diseño
geotécnico utilizados en México para presas de gran altura, que han
permitido que estas presas presenten un comportamiento excelente.
Fig. 4 Vista de la rotura de la losa de concreto en la presa Campos Novos (fotos Cortesía F.
Méndez).
Especialidad: Ingenieria Civil 12
e
1,11
Lí
.

e
Diseño geotécnico de presas de enrocamiento con cara de concreto. Aspectos Ijindamentales
e'
3.1 Zonificación utilizada en México
c
C,
Un primer cambio realizado en México con respecto a la practica usual
fue introducir una zona de transición en el cuerpo de la presa. Esto se
hizo por primera vez en Aguamilpa, y tuvo como objetivo el evitar un
cambio muy abrupto en las propiedades de los materiales, considerando
que la zona 313 está constituida por un aluvión muy poco deformable,
C
colocado en capas de 60 cm de espesor, y el enrocamiento de la zona
3C, colocado en capas de 1.2 m. Para ello se introdujo una zona de
c transición de enrocamiento colocado en capas de 0.6 m de espesor (ver
fig. 5).
(
El 29560
SSMO 220,00
EL 230,00
--
C-2, Í
e
/IiI.i-
14
Fig. 5 Zonificación de la presa Aguamilpa (Montañez, 2000)
el
CI
Esta presa se ha comportado adecuadamente (con filtraciones en este
momento menores que 20 l/s), a pesar de que se presentó un
agrietamiento horizontal en la parte superior de la cara de concreto
debido al asentamiento ante carga sostenida sufrido por la zona 3C,
£ (Alberro, 1998).
Posteriormente, para el diseño de la presa El Cajón, se modificó la
e frontera vertical entre los materiales 313 y T, para evitar concentraciones
de esfuerzos en esa zona. La solución fue utilizar una frontera con
Ci taludes 0.5:1 (ver fig. 6), tomando en cuenta que aún para esta
C
inclinación, la zona 313 continuaba soportando la mayor parte de la
carga debido al llenado del embalse (Romo, et al, 2002).
- Para la presa La Yesca, como se comentará con detalle más adelante,
C se optó por una sección similar y, además, las granulometrias entre las
C
tres zonas principales de enrocamiento fueron practicamente iguales,
variando principalmente el espesor de capa y el támaño máximo
e aceptable en cada zona. Este criterio garantiza que los modulos de
deformabilidad entre zonas varíen gradualmente (en una relación no
e Especialidad: Ingenieria Civil ti
t
HI
e
240 - -
240
220
210
200
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170
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C
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c
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e
Diseño geotécnlco de presas de enrocaniiento con cara de concreto. Aspectos fundamentales
mayor que 2 a 1), evitando así cambios extremadamente bruscos de
modulos que pueden originar un comportamiento indeseable. Además,
permite utilizar un enrocamiento más compresible en la zona T sin
El 39650
NAME 394.00
El. 393.00
400- NAMO 391.00 ..- --
El. 390.50 El 38850
390-- ' -
380-
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330-
320-
310- 2 UM
280-
250-
240-
230-
220-
210
200 -
afectar el comportamiento de la cara de concreto ante llenado.
Fig. 6 Sección máxima de la Presa El Cajón.
-
gil
1_w, MATERIAL- 1
MATERIAL "2
Fig. 7 Vista de la zonificación típica de materiales en una presa de ECC utilizada en
México.
3.2 Características de los Materiales 2A, 28 y 3A utilizadas en
México
3.2.1 Material2A
La nomenclatura internacional denomina a esta zona como 2A, mientras
que en México se conoce como 2F. Se debe incluir esta zona debajo de
la junta perimetral plinto-losa, como se muestra en la Figura 3. Sirve
como una zona con un módulo alto para limitar la deformación de la losa
El 228,00
1,1 —
t• _
.... 'II •iki

e
Diseño geotécnico de presas de enrocarniento con cara de concreto. Aspectos fundamentales
el
Ç. en el perímetro y una permeabilidad relativamente baja para reducir
filtraciones. Esta zona actúa también como filtro para retener limos en
caso de que las juntas perimetrales se abran y los sellos fallen. El
tamaño máximo de partícula se ubica entre 19 y 37 mm, y corresponde
a grava arena con limo bien graduada, GW-GM. Se coloca en capas de
0,3 m de espesor.
C. Existe una diferencia notable de criterios entre la granulometría de este
( material recomendada por el boletín No. 141 de ICOLD (ICOLD,2010) y
los criterios de diseño utilizados en El Cajón y La Yesca (Alemán, 2001,
Pantoja, 2006). ICOLD establece que el material debe cumplir con el
criterio de filtros en cuanto a retención y permeabilidad, por lo que
( recomienda un % de finos menor que S%, mientras que el criterio
C
empleado en México establece que el material 2A debe tener una baja
permeabilidad (menor que 1 x 10 cm/s) para reducir drásticamente
las filtraciones en el caso de una rotura de la junta perimetral del plinto,
y adicionalmente, debe retener a la arena fina limosa o el limo arenoso
C. no plástico que componen al material lA. esto exige que el material 2A
C
tenga un % de finos entre 6 y 12%. En la tabla 3 se puede apreciar
estas diferencias.
Tamiz
estándar US
Tamaño, en
mm
ICOLD
BOLETIN 141
Aguamilpa El Cajón La Yesca
1%" 38.1 100 100 100 100
'4 19.1 85-100 60-80 80-100 75-100
No. 4 4.76 50-75 32-60 45-70 45-65
No. 16 1.19 25-50 20-43 30-46 25-40
No. 50 0.297 10-25 12-26 18-30 15-23
No. 200 0.074 0-5 5-12 8-16 6-12
Tabla 3. Caracteristicas del Material 2A recomendado por ICOLD y utilizados en México
3.224 Material 28
El material 213 constituye el soporte directo de la cara de concreto. En el
inicio de la construcción de este tipo de presas a principios del siglo
pasado, la losa de concreto se colocaba sobre una "piel" de
enrocamiento de gran tamaño colocado con grua.
Ç Posteriormente, en los años 55-60, al comenzar a compactarse los
enrocamientos de la zona 313 colocados en capas más delgadas, también
Ç se modificó la granulometría de la zona 213, utilizando material triturado
Ç
con tamaños entre 38 cm a 2.5 cm. Se evitó utilizar materiales más
finos ante el temor de que fueran arrastrados por flujos de agua
e b- Especialidad: Ingenieria Civil
e
c
e
e
e
e
e

c
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
100 10 1 0.1 0.01
LI
Diseño geotécnico de presas de cnrocamiento con cara de concreto. Aspectos findainenta!es
Ç concentrados, lo que podría haber dejado a la losa sin soporte en
algunas zonas. Sin embargo, esta especificación implicaba la necesidad
C de remover del material triturado las partículas menores que 2.5 cm. Lo
que implicaba un costo adicional.
El cambio más importante en la granulometría de esta zona se dio en la
presa Cethana, en Australia (1971, Sherard, 1985, Cooke, 1992)). Aquí
C se decidió no remover los materiales más finos, permitiendo un
porcentaje de hasta 5% de materiales menores que la malla No. 200.
c. Lo anterior tenía dos ventajas, por un lado, se obtenía una superficie
más suave para el apoyo de la losa y por el otro, el material presentaba
una permeabilidad considerablemente más baja, lo que permitia reducir
las filtraciones a través de las grietas en las losas.
A raíz de esta experiencia se utilizó el mismo principio en otras presas
como alto anchicayá (Materon, 1985, Sherard, 1985) y Foz Do Areia
( (Pinto et al, 1985), lo que derivó en la recomendación de ]. L. Sherard
que aparece en la siguiente figura, y que básicamente exige un tamaño
máximo de 7.5 cm, un porcentaje de arena mayor que 35% (para evitar
( la segregación) y permite materiales menores de la malla 200 en un
porcentaje de 2 a 12%.
—*-- New Exchequer (1966)
--Cabin Creek (1967)
Pindari (1969)
—E--Cethana (1971)
—*-- Alto Anchicayá (1974)
— Foz Do Areia (1981)
Sherard( 1985)
- Boletin 70 Icold
Boletin 141 ICOLD (2010)
CEE (2006)
c
e
e
Fig. 8 Granulometrías promedio del material 2B utilizadas en diferentes proyectos
desde 1966 a la fecha.
En la figura tambien se puede apreciar la evolución de la granulometría
del material 213, desde los años 50's hasta la actualidad. Se puede

e
observar que la tendencia fue ir reduciendo el tamaño máximo de los
fragmentos, desde 40 cm en New Exchequer, hasta la grava arena con 8
O/ii de finos utilizada en el PH La Yesca.
11 Sherard (1985) también recomendó que el coeficiente de permeabilidad
el de estos materiales fueran menor que 1 x 10 cm/s, ya que esto
permitía una reducción drástica de las filtraciones ante fracturamientos
S de la losa, al respecto, cabe comentar que durante la construcción de El
S
Cajón y la Yesca, se alcanzaba coeficientes de permeabilidad del orden
de 0.5 x 10 cm/s con contenidos de finos del orden de 8%.
Por otro lado, el ICOLD en su boletín 141 (ICOLD, 2010) redujo
e considerablement el O/ii de finos del material 213 con respecto a lo
recomendado en su propio boletín 70. Como se ve en la tabla 4, los
criterios de ICOLD y CFE son considerablemente diferentes en cuanto a
este porcentaje. ICOLD lo restringe a 7 v/o máximo, lo que lleva a una
permeabilidad del orden de 1x10' 2 cm/s, mientras que CFE exige
porcentaje de finos entre 6 y lO%, lo que permite permeabilidades
S
menores que 10 cm/s, garantizando así que aún ante agrietamientos
importantes de la cara de concreto, las filtraciones sean reducidas.
Tamiz
estándar US
Tamaño, en
mm
Sherard (1985b)
ICOLD Boletín
70 (1989a)
Granulometría
modificada límites
para la Zona 2B
(ICOLD boletin 141)
CFE, 2006
3" 76.2 90-100 90-100 100 100
11/a 38.1 70-95 70-100 70-100 75-100
1/4"
19.1 55-80 55-80 55-80 60-100
No. 4 4.76 35-55 35-55 35-60 35-60
No. 16 1.19 18-40
0.6 8-30 8-30 10-30
No. 50 0.297 6-18
No. 200 0.074 2-12 5-15 0-7 (no cohesivo) 6-12 (no
cohesivo)
Tabla 4. Granulometrías del material 2B recomendadas por ICOLD y las utilizadas en
e México
La granulometría actual del material 213 diseñado de acuerdo a los
criterios utilizados en México permite obtener un material poco
permeable (permeabilidad menor que 1 x 10 cm/s) y no segregable
e (contenidos de arena mayores que 35% evitan esta condición). Además,
los procedimientos constructivos utilizados recientemente en presas
como La Yesca, consideran la colocación de este material mediante
máquinas esparcidoras (ver fig. 9), lo que permite controlar
e Especialidad: Ingenieria Civil 17
e
e
e
e
e
e
e
e
o

e
C Diseño gcotécnico de presas de enrocamiento con cara de concreto. Aspectos fundamentales
t
perfectamente el espesor de este material y evitan completamente su
segregación.
C En cuanto a su compactación, es recomendable que este material
alcance relaciones de vacíos menores que 0.22, por lo que previo a la
construcción deben realizarse en campo terraplenes de prueba para
definir el contenido de agua óptimo y el número de pasadas mínimo del
rodillo liso vibratorio que garanticen este valor.
Cabe comentar que para el proyecto de La Yesca, el contenido de agua
c óptimo de este material fue del orden de 7%, y se compactó con un
rodillo liso vibratorio de 12 t de peso en el tambor, dando del orden de
( 8 a 10 pasadas.
(
--
t. Fig. 9 Colocación de material 213 con máquina esparcidora en el PH
(
La Yesca.
32.3 Material 3A
El material 3A sirve como transición entre el material 213 (grava arena
limosa) y el 313 (enrocamiento o grava arena con tamaño máximo de 60
a 100 cm). Generalmente se coloca en capas del mismo espesor que el
material 213 y se compacta con 6 a 8 pasadas de rodillo liso vibratorio
de 12 t de masa en el tambor.
Es importante que el material 3A sirva como filtro del material 213, para
1 evitar que sus finos sean arrastrados, considerando los altos gradientes
que pueden generarse en las presas de gran altura cuando se produce
1 un agrietamiento de la cara de concreto. Sin embargo, puesto que el
material 213 es estable internamente (Sherard, 1985), puede tomarse su
granulometría integral para diseñar el filtro, lo cual permite que
r
n

LI
c
C. materiales relativamente gruesos puedan hacer esta función. Sin
embargo, es conveniente que estos materiales posean al menos un 30
1 % de contenido de arena para reducir el riesgo de segregación.
En la fig. 10 se observa dos fotografías del material 3A utilizado en La
1 Yesca y en el Cajón, respectivamente. En la primera consistió en aluvión
cribado para eliminar las partículas mayores que 20 cm. En la segunda
1 se trató de un enrocamiento procesado para dar la granulometría
C.
especificada. Se observa en la foto como en el contacto 3A-2B fueron
removidos los fragmentos segregados de mayor tamaño, dejando un
C. material capaz de retener al material 2B.
C. En algunos proyectos, cuando el material 313 es aluvión, se ha eliminado
C
al material 3A, permitiendo el contacto del material 213 con el 3B. Al
respecto cabe comentar que si bien es cierto que los aluviones pueden
c. ser menos segregables que el enrocamiento, siempre existe el riesgo de
que se presente una zona de segregación que no garantice la retención
del material 213, por lo que es recomendable siempre utilizar al material
3A como una transición entre el 213 y el 3B.
En general se recomienda para el material 3A un % de arena mayor
que 30%, un % de finos menor que 5 % y un tamaño máximo de 20
( cm. Además, durante su colocación, se deberán retirar los materiales
más gruesos que se hayan podido segregar en la zona de contacto con
1 el material 2B.
En la fig. 11 se pueden observar las granulometrías promedio del
material 3A utilizadas en las presas de El Cajón y La Yesca.
e
c
e
;
*•
/1.
•V' q:'
1
/• -..
c Fig.10 Fotos de zona de contacto entre los materiales 213 y 3A en los proyectos de a)
La Yesca; b) EL cajón. Observese como se han retirado los sobretamaños.
e
9
1
111

e
e
e
e
e
e
e
e
e
e
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c
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e
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e
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r00000pros 0€ ROCA
CM 1 ICA CA1I
1 OCA
POCIICULAIflAI
loo
9°
00
lo
a
a 50
a 00
30
20
10
000 lOO lO 1 CI 101 0.201
T.m.00dol çr.nopn. nIAl
Fig. 11 Curvas granulométricas del material 3A utilizado en El Cajón y La Yesca
3.3 Estudios de campo y laboratorio para definir las
caracteristicas de los materiales 313, T y 3C
Como ya se comentó, en México se utiliza una zonificación para las
presas de ECC que incluyen un material de transición entre las zonas 313
y 3C clasicas. Esto permite que haya una reducción gradual del modulo
de deformabilidad de los enrocamientos a partir del material 313 (el
menos deformable), hasta el 3C (el más deformable).
El material 313 constituye el enrocamiento principal de una presa de
ECC. Este material soporta la carga del agua del embalse y define, por
tanto, la deformación que sufrirá la cara de concreto.
En las primeras presas de ECC, el material 313 se colocaba a volteo en
alzadas de hasta 25 m de espesor. Como se comentó en la introducción,
este procedimiento permitió construir presas de hasta 70-80m de
altura. Presas más altas presentaron filtraciones de consideración. Con
el advenimiento de los compactadores vibratorios, se comenzaron a
compactar los enrocamientos, reduciendo notablemente su
deformabilidad, lo que permitió construir presas del orden de 150 m de
altura con un comportamiento aceptable.
Los criterios eran simples y basados en la experiencia y los precedentes,
consistían en utilizar enrocamiento sano en capas del orden de 1 m de
espesor, provenientes directamente de las voladuras realizadas en los

Li
Diseño geotécnico de presas de enrocanhiento con cara de concreto. Aspectos fundamentales
bancos de roca, sin prestar atención a la granulometría ni a los
parámetros de deformabilidad del enrocamiento. Tampoco se realizaban
C análisis confiables que pudieran dar una idea de los niveles de
( deformación y de esfuerzos que sufriría la cara de concreto durante el
llenado.
Sin embargo, los considerables agrietamientos de la cara de concreto y
las fuertes filtraciones asocidadas a ellos que presentaron los proyectos
C
de Barra Grande, Campos Novos y Mohale en el año 2005 y 2006,
construidos con los criterios antes descritos, indicaron que era necesario
revisar estos.
1 Por otro lado, el agrietamiento presentado por la presa de Aguamilpa
C
mostró que tampoco era conveniente manejar enrocamientos con
fuertes constrastes entre sus módulos de deformabilidad.
Todo lo anterior hizo evidente la necesidad de realizar estudios más
1 detallados de campo y laboratorio para caracterizar con mayor precisión
las caracteristicas de deformabilidad y resistencia al corte de estos
1 materiales, así como de la ejecución de análisis numéricos para poder
C predecir el comportamiento esfuerzo-deformación de la presa y los
esfuerzos en la cara de concreto durante construcción y primer llenado.
En lo que sigue se describen la práctica utilizada en la CFE para el
estudio de las propiedades mecánicas de los materiales y el diseño de
1 una presa de [CC.
3.3.1 Pruebas de laboratorio índice
Gran parte de las características de deformabilidad de un enrocamiento
1 depende de sus propiedades físicas intrínsecas, tales como sanidad,
( forma y dureza de los granos. En efecto, a menor dureza, mayor
angulosidad y mayor tamaño de grano, este sufrirá mayor rotura y por
1 tanto el enrocamiento será más deformable, mientras que
enrocamientos con granos duros, redondeados (como en los aluviones)
( y del tamaño de las grava-arenas sufrirán menos rotura de partículas y
serán por lo tanto menos deformables (Marsal, 1972, Marsal y Reséndiz,
1 1983).
Sabemos que enrocamientos sanos y con granos duros (con carga de
1 rotura mayor que 10 kN y resistencia en compresión simple mayor que
75 MPa) podrán ser utilizados generalmente en la zona 3B en capas de
1 80 cm de espesor siempre que tengan una granulometría bien
graduada. Cuando se trata de aluviones, espesores de capa de 60 cm
son adecuados. Esto permite definir en primera instancia los espesores
14
.

Diseño geotócntco de presas de enrocamiento con cara de concreto. Aspectos fundamentales
de capa que utilizaremos en los pedraplenes de prueba para conocer los
modulos de deformación del enrocamiento.
En la Tabla 5 se muestran los resultados de las pruebas indice realizadas
para los materiales de El Cajón y La Yesca (aluvión y enrocamiento,
Vazquez, 2004, Pantoja, 2006, 2007). Se observa que la carga de
ruptura varío entre 3.5 kN (para las dacitas) a 10 kN (aluviones) en
condiciones saturadas, lo que los define como enrocamientos de grano
semi-duro a duro (Marsal 1972).
Material
Prueba
Dacita Dacita
Gravas
Fluidal Porfirica
Absorción <2.25% <2.2% <2.3%
Intemperismo
acelerado <1% <9% <5.3%
Abrasion (Los <12.5% <14% <17%
Angeles)
Compresión no 132 76
confinada, en
Nl Pa
Material Carga de ruptura, en kN
Seca Saturada
Gravas La Yesca 12 10
Dacita Fluida! La
Yesca
5 3.5
Dacita porfirica
4.8 4
La Yesca
Ignimbrita El
Cajón
1.9 to 3.3 1.7 to 2.6
Tabla S. Resultados de pruebas de laboratorio de las gravas y los enrocamientos de La
Yesca
Cuando los enrocamientos son de granos blandos, es posible que se
requieran utilizar menores espesores de capas para lograr
enrocamientos poco deformables. Estos aspectos deben tomarse en
cuenta en el diseño de los pedraplenes de prueba.
3.3.2 Pedraplenes de prueba
Una vez que se localizaron y estudiaron los potenciales bancos de
materiales para la presa (aluvión y/o roca, Cedro, 2006) y se
determinaron sus propiedades índice (Resistencia en compresión simple,
abrasión, intemperismo acelerado, rotura de granos), se diseñaron
pedraplenes de pruebas enfocado a definir la granulometría, espesor de
capa y número de pasadas de los enrocamientos, y de aluvión, así como
sus características de deformabilidad.
Un primer aspecto que se definió antes de comenzar la construcción de
los pedraplenes de prueba de enrocamiento es que granulometría se
utilizaría en los estudios. Cuando existen bancos de aluvión, como en La
Yesca, generalmente es posible utilizarlos de manera directa ("en

Li
greña"), sin mayores tratamientos, ya que por la manera en que se
depositan estos materiales poseen una granulometría bien graduada que
al compactarse permite obtener materiales densos. En la fig. 11 se
C
observa la granulometría natural de los bancos de aluvión utilizados en
La Yesca y el perfecto acomodo que alcanzan estos materiales cuando
se les compacta.
Cuando se trata de enrocamientos, la granulometría se define con base
en precedentes, aunque para la Yesca se buscó que la granulometría
fuera similar a la del aluvión en greña. En la fig. 12 aparecen las
c. granulometrías del material 313 utilizado en diferentes presas. En
general, se busca obtener enrocamientos bien graduados, con
porcentajes de gravas altos (por arriba del 40%, y un cierto porcentaje
C
de arena (preferiblemente mayor que 15%) para lograr relaciones de
vacíos bajas , y por consiguiente, un material poco deformable.
Deben evitarse enrocamientos uniformes y muy angulosos, aún cuando
sean de roca muy dura como los basaltos, ya que serán altamente
deformables. Si no existe otra opción, será necesario emplear capas
mas delgadas y tamaños máximos menores que lo usual para reducir la
deformabilidad de este tipo de enrocamientos.
( Por otro lado, un aspecto fundamental para obtener la granulometría
adecuada es la ejecución de voladuras de prueba en los bancos de roca,
1 cuyos arreglos se deben ir ajustando (altura del banco, espaciamiento y
C
número de la línea barrenos, longitud del taco superior, cantidad de
explosivo, etc.), hasta lograr una granulometría bien graduada y con los
tamaños máximos especificados.
Una vez definidos los bancos a utilizar para las pruebas y el arreglo de
C
las voladuras en los bancos de roca, es posible comenzar a construir el
pedraplén de pruebas.
51
P - -
"ftt1
Fi g 11 a) Granulometría natural de los bancos de aluvión en el PH La Yesca;
b) Acomodo del aluvión natural al ser compactado
Especialidad: Ingenieda Civil 23
c
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c
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1
e
£
Diseño geotécnico de presas de cnrocarniento con cara de concreto. Aspectos fundamentales
En la fig. 13 se muestra una sección y en la fig. 14 una planta del
pedraplén utilizado para estudiar los aluviones del PH La Yesca. En
general tienen dimensiones en planta del orden de 50 x 50 m en la
base, y altura de 10 m, con el fin de lograr aplicar cargas significativas
por peso propio para poder medir la deformabilidad de los materiales
mediante extensómetros mecánicos. Un pedraplén similar se construyó
para estudiar los enrocamientos.
1 Boleos GRAVAS ARENAS UMOSYARCILLAS
ioo At *
-+-- XibeikulgSml
90
: °
UYesa
30 1
4 Aguamilpa (185rn}
, Guangmeshan (59m)
• • Hongjiadu(182m)
so - —4--Cethana (hOm)
AitoAnchicayá 1140nll
so A oz do a'eia (l6Om)
40
3° • _____-
HH-•'--• ____20 - -
10 ..
•-
o
1000 100 10 1 01 0.01
Tamaño de particula, mm
Fig. 12 Granulometrías de la zona 313 utilizadas en diversos proyectos
- De6a1Omdeaura
- De0a6mdetura
Nveidepeoyecto
Relleno de ali,eÓn para
eoa' al nivel de voecto
Fig. 13 Sección del pedraplén de aluvión utilizado en los estudios de La Yesca

e
c Diseño geotécnlco de presas de enrocarniento con cara de concreto. Aspectos tindamentales
t
e
e
e Pl
Fíg. 14 Planta del pedraplen de pruebas de aluvión de La Yesca
e El pedraplén de prueba permitió confirmar que las granulometrías
e especificadas son obtenibles de una manera económica, asi como definir
C el número de pasadas óptima y las características de deformabilidad de
los materiales. Para lograr lo anterior, la instrumentación mediante
( bancos de nivel flotantes y topografía de precisión son fundamentales.
Los pedraplenes tambien nos permitieron confirmar la importancia de
agregar agua para mejorar la compactación de los enrocamientos, los
cuales se compactaron agregando 250 l/m3 (litros de agua / volumen
del material). No así en los aluviones, los cuales no presentaron mejoría
al agregarseles agua, por lo cual fueron finalmente compactados en seco
En la Fig. 15 aparecen las curvas granulométricas promedio de los
materiales utilizados en el pedrapién de prueba, mientras que en la
tabla 6 se resumen los las relaciones de vacíos obtenidos en estos
ped ra pien es.
11
11
Ç
e
c
o

e
e
e
e
e
e
e
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c,
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e
e
(
1
e
t
e
e.
e
e
e
Relación de vacíos de la grava-arena
Relación de vacíos del
enrocamiento*
Espesor de
___________________________________________________
Espesor de
Número de pasadas Dacita Dacitacapa, en m _______ capa, en m
lluidal Porlirica
4 6 8
0.60 0.258 0247 0233 0.80 0.336 0.361
0.80 0.250 0.25 0.239 1.0 0.331 0.410
1.0 -- 0.257 0.292 1.2 0.368 0.422
* datos para 8 pasadas del rodillo
Tabla 6. Resultados de relaciones de vacíos obtenidos en los pedraplenes
1
1
•
. . . .. .
—4----- ..- '-«-
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+ :... ..... ............
— & 1
Fig. 15 Curvas granulométricas promedio de los materiales utilizados en los
pedraplenes de prueba
Los módulos de elasticidad que aparecen en la tabla 6 fueron obtenidos
con base en las mediciones de los asentamientos del pedraplén
utilizando la siguiente ecuación:
Ev=(Hyr h)/(1000S) (1)
Donde:
E, Módulo elástico vertical, en MPa;
H, Altura del enrocamiento por arriba del punto de medición, en m
h, Espesor del enrocamiento por abajo del punto de medición, en m
Yr, Peso volumetrico del enrocamiento, en kN/m 3
s, Asentamiento en el punto de medición

e
[)seño geotécnlco de presas de enrocamiento con cara de concreto. Aspectos fundamentales
e
C Módulo de deformación promedio
Espesor de capa, E. en MPa
C
Dacita Dacita
Gravel
lluidad porfirica
0.60 277
0.80 256 148 174
e 1.00 246 135 158
1.20 126 150
Tabla 7. Módulos de elasticidad obtenidos en los pedraplenes de prueba
3.3.3 Pruebas de Consolidación en odometro gigante
( Alberro (1996, 1998) con base en mediciones de la deformabilidad de
diversas presas construidas en México y en el análisis de los resultados
de pruebas de odometro gigante (de 1 m de diámetro), concluyó que en
estas estructuras, para trayectorias de esfuerzos al1iu3 constantes,
( (donde al y a3 son los esfuerzos principales mayor y menor,
C
respectivamente), las relaciones esfuerzo-deformación son lineales, por
lo que pueden utilizarse leyes constitutivas lineales para el cálculo
mediante análisis numéricos del campo de esfuerzos y deformaciones
durante la construcción de una presa.
e
Considerando lo anterior, para el diseño de las presas Aguamilpa, El
Cajón y La Yesca, se realizaron pruebas de odómetro gigante (en
probetas de 110 m de diámetro y 17 cm de tamaño máximo de
partícula) para los distintos materiales de cada una de las presas. Si
( bien la prueba no es totalmente representativa de la deformabilidad de
un enrocamiento, por el efecto de escala, nos permite comparar de una
(. manera relativa la deformabilidad de distintos enrocamientos.
En la fig. 16 se presentan los resultados de módulos obtenidos en estas
pruebas para los materiales de la presa La Yesca.
( En la gráfica se pueden observar dos aspectos. La menor deformabilidad
C
del aluvión comparada con el enrocamiento (1.5 A 3 veces menor), y
que al crecer el esfuerzo vertical (y por lo tanto, el confinamiento)
siempre ocure un incremento del módulo de deformación. Es decir, no
existe un esfuerzo crítico a partir del cual pueda haber un incremento
súbito en la deformabilidad. Este último aspecto es importante ya que
en presas como Mohale, el módulo de deformabilidad del enrocamiento
se redujo drásticamente para niveles de esfuerzos altos debido a la
mayor rotura de granos.
e Especialidad: Ingenteria Civil 27
e

e
e
e'
e
e
e
e
e
e
e'
e
e
e
e
e
e'
e
e'
e
e
e
e
e
e:
e
e
e
0 ---
0.1 1 10
Esfuerzo vertical promedio. en MPa
Fig. 16 resultados de pruebas de consolidación unidimensional en odometro gigante y
mediano.
3.3.4 Pruebas triaxiales en probetas gigantes
Se ejecutaron también pruebas triaxiales en probetas de 30 cm de
diámetro y 70 cm de altura, con tamaño máximo de partícula de 5 cm.
Los resultados aparecen en la figura 17.
Se observan los clasicos alto valores del ángulo de fricción para bajos
esfuerzos de confinamientos, que es la característica por la cual la
estabilidad de los taludes una de presa de [CC poseen factores de
seguridad altos.
También se puede ver que los módulos tangente inicial, E1, son
relativamente altos para esfuerzos de confinamiento por arriba de 1
MPa.
0
•Aluvión
U Dacita
a porfirica
A Dacita fluidal
'0 0 1
E
-0
.4-
a)

Diseío geotécnlco de presas de enrocamiento con cara de concreto. Aspectos fundamentales
65
- - Layesa,Alneón
450 - -
--- EICajónOnronarnnnto
T H----------- -
41
LY
4
--
ioo - / 1 / 1a5escaAluon.2 45
-
-
: nIfl O : lt1
40
L. Yesca. En ocarnlento 2
Aguamilpa, Aluaion
35 0
10 100 1000 10000 10 100 1000 10000
Esfuerzo de confinamiento, ng n, (kPa) Esfuerzo de confinamiento, Log o, (kPa)
Figura 17. Resultados de las pruebas triaxiales tipo CD realizadas en diversos
materiales
3.4 Análisis esfuerzo—deformación para predecir el
comportamiento de la presa
3.4.1 Selección de parámetros de deformabilidad para análisis
Un aspecto fundamental para realizar un diseño racional de una presa
de ECC es la ejecución de análisis numéricos esfuerzo-deformación que
nos permitan predecir con suficiente precisión los asentamientos al
final de construcción y durante el primer llenado, así como los esfuerzos
a los que estará sometida la losa de concreto, para identificar
oportunamente algún riesgo de mal comportamiento de la presa.
El primer paso para un análisis exitoso es definir el modelo constitutivo
del enrocamiento y sus parámetros de deformabilidad asociados. Existen
un buen número de modelos constitutivos que tratan de reproducir el
comportamiento esfuerzo-deformación de estos materiales, de los
cuales los más simples son los que han dado mejores resultados, estos
son el modelo elástico-lineal, en el cual el parámetro representativo es
el módulo elástico lineal, E; y el model hiperbólico, el cual está definido
por la siguiente ecuación:
E = E0 () (2)
En donde:
E, Modulo de deformabilidad, en MPa,

600
500
5 $00
o
300
o
000
0
loo
LI
e-
E0, Modulo de deformabilidad para la presión de confinamiento Pa, en
M Pa,
°c, Esfuerzo de confinamiento. En MPa,
C.
a, Exponente propio del material en cuestión.
Para los análisis de la presa La Yesca se optó por el modelo elástico
e lineal. Para seleccionar los parámetros se tomaron tres criterios. En el
C
primero se seleccionó el módulo de elasticidad (E a, módulo de
elasticidad durante construcción de la presa) directamente de la curva
e ajustada de la figura 18 y para esfuerzos de confinamientos al centro de
cada una de las zonas de la presa; en el caso 2 el parámetro E c se
e, seleccionó considerando sólo los valores obtenidos en los pedraplenes
de prueba, en los odómetros gigantes y los resultados del
comportamiento de Aguamilpa y El Cajón; finalmente el caso 3 se utilizó
e un punto de vista conservador, empleando los valores mínimos de los
casos 1 y 2.
e
1
x ALUVIÓN
o DACITAFLUIDAL
O DACITAPORFIDICA
-PotenI(Ai UVIÓN)
_-Potenciai(DACITAFLUIDAL)
---------Poteflciai(DACITAPORFÍDICA)
.-----------------
-->(-- _._=-__--_•
-----------------
::::IIIIIII:IIIIIyi
.I1 __________
0.5 3.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Esfuerzo (le confinamiento medio, en rslPa
Figura 18. Datos de módulos de elasticidad de todas las pruebas realizadas en los
estudios de La Yesca, ajustada de acuerdo a la ecuación 2.
Cabe comentar que para el análisis ante llenado del embalse, para el
caso 2 se consideró un módulo igual al doble que el utilizado durante
construcción (Pinto, 1998).
e En la tabla siguiente se presentan los módulos de elasticidad
C. seleccionados para ser utilizados durante el análisis mediante métodos
C
númericos del comportamiento esfuerzo-deformación de la presa La
Yesca.
C. Especialidad: Ingeniería Civil 30
14
c
c
e
o
0.0

e
t Diseño geotécnico de presas de enrocamiento con cara de concreto. Aspectos fundamentales
1
Material
Peso
Volumétrico
Relación
de poisson E E11
kN/rn MPa MPa
3B, (iraas
1*-
20.7 02
171 226
2* 240 480
3* 171 342
Enrocamiento
1*
19.5
F3*
0,2
153 169
130 260
lIS 230
3C,
Enrocamiento
1*
18.5 0252 *
119 129
85 170
3* 85 170
*, Caso 1: Promedio considerando pruebas de campo y laboratorio; Caso 2:
Promedio tomando en cuenta pedraplenes de prueba y comportamiento de
Aguamilpa y el Cajón; Caso 3: Valores mínimos esperados
Tabla S. Parámetros utilizados en los análisis del comportamiento
De la presa La Yesca
3.4.2 Análisis esfuerzo-deformación
En la figura 19 se muestra la malla de elementos utilizada en los
análisis. Estos fueron realizados con el programa de diferencias finitas
Flac 3D (Itasca, 2002). La losa de concreto fue simulada con elementos
placa. No se simularon las juntas verticales ni la perimetral típicas de
estas losas, condición conservadora ya que las juntas reducen
considerablemente los esfuerzos en estas losas.
1
Fig. 19 Malla de elementos para análisis con el método de diferencias finitas
1
£
1
0

co
C. En las figuras 20 y 21 se muestras los desplazamientos totales para fin
de construcción y llenado para el caso 2. Asimismo, en la tabla 9 se
C muestra un resumen de los resultados más relevantes de los análisis.
e
c
e
co
2.101, 11)1 7)1.1 MOdo)
10.00 -40 II MO. 70 '/0))?
X 21,8 I0'OO) X 31, 000
Y 7 4500.002 Y' 0000
110.1 '.4450 , 003 Mas)
A U 7250 , '8
'1
!
1 ,..:I .000)0 001 (0 1 00011,,
1 (10001,001 lo O 0000,,*,j , )',
011.00090 7.50)
1,110,0.1 - lOo 001
(-rl
Fig. 20 Contornos de desplazamientos totales al final de construcción para el caso 2
(desplazamiento máximo = 82 cm. Desplazamiento al centro de la zona 313 = 35 cm )
o
e
e
I7..,4( !> 2. lo
SI,.. 0701 4 Modo) I'O,p.çllo
15,06:40 W,,,I Alo II 7007
6,11011011:
11 2(282,00? X - 35.00))
'1' .1 4580002 Y 0000
/ 48 (ll,,.00'/ 7 20000
l'ISflS 000.,IoII,,,
11' 0I010,1''Ol() Olp' 00000
Y 3(151(1, • 00? (10. 001)).
¡ '(OI(I,,'O(I/
1 511(01111 *2(' 1)101,hIceInoIli hL1g
U..QIac - 0,0000.001)
0000)10.01(0 II' 000000.000
0000(2,, '000(0 7 00000 002
2110(1(1,, 007 ((2 4.0000.,-0(l2
4 (02(l)),, 0(17)0 000000 0(22
(100(0,, (111/ (0 0 00(200 001
112)0(1(2,, (lO? lo 1 (101100 (OIl
1 11(20(1,, (101 II, 1 ¿('(1(2,, 0(2)
1,2000,, 001 II, 1.40000001
1 40001, (lO) (o 1.000(100(11
(.60000 001 (0 1 75170001
DM')
Fig 21 Contorno de desplazamientos totales debido a llenado (máximo desplazamiento
calculado = 17.5 cm)
La conclusión más relevante de estos análisis fue que no existía un
riesgo de mal comportamiento de la losa de concreto, ya que aún para
la condición mas conservadora los desplazamientos y esfuerzos a los
que estaría sujeta estaban por abajo de los admisibles.
co
e
141
c.
e
co

e
e
e
(
1
1
e
1
1
1
e
e
c
e
e
1
e
e
e
e
1
e
e
Diseño geotécnico de presas de enrocanliento con cara de concreto. Aspectos tindamentales
Condición
analizada
Variable
CASO_________
1 1 2 1 3
Desplazamiento total máximo en la cortina, m 0,700 1 0,811 1 0,918
Fin de
construccion
Esfuerzo horizontal máximo al final de construcción para los
materiales 3B, T y 3C, Mpa
3130,3, T0,4 y 3C0,3
Esfuerzo vertical máximo al final de construcción para los
materiales 3B, T y 3C, Mpa
3131, T1 ,8 y 3C0,8
Desplazamiento total máximo en la cara de concreto, m 0,225 0,175 0,232
Esfuerzo de compresión máximo en la cara de concreto, Mpa 5,5 4,8 5,7
Llenado Esfuerzo horizontal máximo al final de construcción más
llenado para los materiales 3B, T y 3C, Mpa
313=0,7, T=0,6 y 3C=0,4
Esfuerzo vertical máximo al final de construcción más
llenado para los materiales 313, T y 3C, Mpa
3B=2, T2,5 y 3C1
Tabla 9. Resumen de resultados más relevantes de los análisis
Otro aspecto que permitió definir los análisis fue la posición de las
juntas de tensión y compresión de la cara de concreto, tal y como se
muestra en la figura 22.
i i
• !.....•
.41
; - -•
L.B.
'TiJlli
Esfuerzos de ..
:i •
tension .'.'.I
horizontales
J ' : 1 sfuerzos de
compresion
horizontales
29
Figura 22. Zonas de tensión y Compresión en la cara de concreto.
Finalmente, con base en los estudios y analisis realizados, se definió la
zonificación para la Presa La Yesca que aparece en la figura 23 y las
especificaciones para los materiales mostrados en la tabla 10 y la fig.
24.

e
e
e
e
e
e
e
e
(
(
c
c
c.
(
(
e
e
e
c
e
c
c
e
e
Figura 23. Sección Máxima y zonificación utilizada en la presa La Yesca
Espesor de
Numero
Zona Tipo de compactacion de
capa, ni
pasadas
1 B 0.3 Compactada con tractor NA
21` 0.3 10.6 Ton RLV / 10 ton placa NPK 6
2' 0.3 10.6Ton RLV/ løton placa NPK 8
3132 0.6 12.2 Ton RLV 6
T3 0.8 12.2 Ton RLV 6
3C3 1.0 12.2 Ton RLV 6
4 NA Colocado con Retroexcavadora NA
1, ranuiometria ae acuerno a io incicacio en ei inciso ii, tania '; z, i.3rava arena en grena, compactada en seco
3, Enrocamiento compactado agregando 250 1 de agua por m 3 de material
Tabla 10, especificaciones de compactación de los materiales utilizados en La Yesca
]lHI rFfl 1 1 1 1
lll II 1 III
jIlLL iii
iii 1
llHlIl II
Illilli
1 J II 1
1111111
11111 liii
11111 ll 1
11111 i
ftfft11 ±i
N
1 1 1111 Li
1111 1T
1 1 1
TíTfTIll
111111
1 1 III II
1 1 II 111111
II Hill 1H11
1
i lii --
I1H1
liii
Hl 1
11111
II II 1
liii
1111111
1111111
1111111
11111
liii 1
11111
II
iJllIIIIl 1 LLL
lcr (((Í (101 q n mm)
Figura 24. Bandas granulométricas especificadas para los materiales de la Presa
La Yesca
90
110
70
o
61- 60
- 90
o 40
30
60
20
10
o

Diseño geotécnico de presas de enrocamienlo con cara de concreto. Aspectos fundamentales
3.5 Comportamiento de la presa La Yesca
3.5.1 Propiedades índice de los materiales utilizados en la Presa
En la tabla 11 aparecen las especificaciones y características de los
materiales utilizados en las presas Aguamilpa, El Cajón y La Yesca,
mientras que en la fig. 24 y en la Tabla 11 se muestran las curvas
granulométricas de los materiales 313 y T, y el resumen de las
propiedades índice promedio de los materiales utilizados en La Yesca.
Se observa que en cuanto granulometría, la diferencia más fuerte entre
los materiales 313 y T es el porcentaje de arena, que para el primero fue
de 17% y para el segundo de 9 v/o. Este aspecto, así como tambien la
forma de los granos, parece explicar la diferencia considerable en la
relacion de vacíos promedio de estos materiales (0.18 para el 313 y 0.28
para el T).
7ona
Tipo de material y Tipo de Numero
espesor de capa Compactación de
m pasadas
Aguamilpa 1-1 Calón La Yesca Aguamilpa El Cajón y La Yesca
Agua- El Cajón y
milpa La Yesca
2
Aluvión Aluvión Aluvión 10.6 ton RLV/ lO Ion 10.6 ton RLV/ lO ton placa
03 0.30 03 placa vibratoria NPK vibratoria NPK
Grava Enrocamiento Grava
12.2 ton VR agregando 200 l/m
313
0.6 0.8 0.6
lO ton RLV seco de agua en El Cajón y seco en 4 6
La Yesca
Enrocamiento Enrocamiento Enrocamiento 12.2 Ion VR agregando 200 l/m
T
0.6 1.0 0.8
0 tun RIN seco
de agua
6
3C
Enrocamiento Enrocamiento Enrocamienlo
0 Ion RLV seco
12,2 Ion VR agregando 200 l,'m
4 6
1.2 1.2 1.0 deagua
4 NA NA NA
Colocado con Colocado con
NA NA
retroexcavadora retroexcavadora
Tabla 11. Especificaciones de construcción y caracteristicas de los materiales utilizados
en Aguamilpa, El Cajón y La Yesca.
Figura 25. Curvas granulométricas de los materiales 3B y T utilizados en La Yesca

Material Relación clu Abs. Abr. i Granulometría promedio
de vacíos, MPa
oI % % O/e, de O/e, de O/e, finos
E particulas gravas arenas
> 75 mm
2 0.17 0 56 36 8
313 0.18 84 1.9 10 1.6 43 37 17 3
T 0.28 76 2 17 2.8 41 48 9 2
3C 0.29 76 2.3 17 2.8 41 46 10 3
q, Resistencia no confinada, en MPa; Abs., Absorción; Abr., Abrasión; 1, Intemperismo acelerado.
Tabla 11. Valores promedio de propiedades índice y granulometrías de los materiales
utilizados en La Yesca.
Puede observarse que los materiales T y 3C practicamente fueron
iguales. Esto se debió a que el constructor decidió por conveniencia
constructiva utilizar la misma granulometría y prácticamente el mismo
espesor de capa para ambos materiales.
Puede concluirse que los materiales de la Presa La Yesca fueron
enrocamientos sanos, bien graduados, de granos duros (aluvión) a
semiduros (dacita), con relaciones de vacíos relativamente bajas, por lo
que era de esperar asentamientos bajos al final de construcción y una
deformación pequeña de la cara de concreto ante llenado.
3.5.2 Asentamientos y gastos de filtración medidos en la presa..
En la fig. 25 se observan los contornos de igual asentamiento medidos
en la presa La Yesca desde el inicio de su construcción. El asentamiento
máximo medido fue de 97 cm, aproximadamente a mitad de la altura de
la presa, en la frontera entre el material T y el 3C, para un tiempo de
construcción de 33 meses, mientras que los análisis realizados dieron
valores de asentamiento máximo de entre 70 y 92 cm (ver fig. 20 y
Tabla 9).
Los asentamientos medidos al centro de la zona 313 fueron del orden de
40 cm, mientras que los análisis para el caso 2 dieron valores de 35 cm.
Como punto de comparación cabe mencionar que la presa Mohale, de
145 m de altura construida en Sudafrica, presentó un asentamiento
máximo de 3 m al final de construcción, y de 1.3 m al centro de la zona
3B, mientras que durante su primer llenado la cara de concreto se
deformó 50 cm. Mohale presentó filtraciones del orden de 600 l/s y
requirió de reparaciones mayores para reducirlas a valores aceptables
(Johanneson, 2007). El desplazamiento total de la cara de concreto de
La Yesca medido hasta ahora es menor que 15 cm para una carga de

agua de 163 m (Hernandez, 2012), lo que explica el excelente
comportamiento observado en La Yesca en cuanto a deformaciones y
esfuerzos en la losa de concreto
N.A.M.E578.00 N.A.M.O 57500 Elev. Corona 579.00 5Wv, Parapeto 580.50
7-sep-09 al 21-Jun-12
N.A.M.I.N.O. 518.00
40
90
80
50
30
_ a
20
Peifil dI AkivIÓn
Proyscrion ile la Roca Cas-ii
Fig. 26 Contornos de igual asentamiento al final de construcción para la Presa La Yesca
(cortesía Subgerencia de Seguridad de Estructuras, GEIC-CFE).
En la fig. 27 se presentan las filtraciones para diferentes niveles de
embalse para las La Yesca, para una carga hidraulica ligeramente por
arriba de 160 m presenta una filtración del orden de 88 l/s (Moreno,
2012), y se estima que para el embalse al nivel del NAMO esta filtración
será del orden de los 100 l/s.
PRESAS TIPO CFRD, MÉXICO
FILTRACIONES AL PIE DE LA CORTINA
PRIMER *Ño
280 220
260
200
240
220
180
200 160
E
140
p160
120
.2 140
120
100
100 80
80 60
60
40
40
20 20
o
0 30 60 90 120 150 180 210 240
llampo (Día)
Gasto AGU • Gasto CAJ ----Gasto VES H-AGM H-CAJ —.—H-VES
Figura 27. Gastos de filtración medidos en las presas de Aguamilpa, El Cajón y LA
yesca durante el primer año de operación (cortesía Subgerencia de Seguridad de
Estructuras, GEIC CFE).

ki
c.
C.. Cabe comentar, como punto de comparación, que las filtraciones
máximas de las presas de Mohale, Barra Grande y Campos Novos,
durante el primer llenado fueron de 600 l/s, 1300 l/s y 1300 l/s,
C respectivamente. Estas presas sufrieron daños considerables en las
losas de concreto por esfuerzos de compresión excesivos (Yang, 2011).
t
4. Conclusiones
t
Con base en la experiencia adquirida en el diseño y construcción de las
presa de El Cajón y La Yesca, comentada en los incisos anteriores, es
c. posible concluir lo siguiente:
- Las presas de ECC de gran altura (más de 150 m) no pueden
C
diseñarse atendiendo exclusivamente a la experiencia (método
empírico), sino que para garantizar su buen comportamiento
deben realizarse estudios exhaustivos de campo y laboratorio para
definir las caracteristicas de los materiales que la compondrán y
c. para seleccionar adecuadamente sus parámetros de resistencia y
C
deformabilidad, asi como ejecutar análisis númericos esfuerzo-
deformación que permitan predecir con una precisión adecuada el
c comportamiento futuro de la presa.
- La experiencia seguirá siendo fundamental al momento de decidir
los tipos de materiales que se utilizarán en la presa, asi como sus
granulometrías.
C - El material 2B, que soporta la losa debe contener un contenido de
C.
de finos no plasticos entre 6 y 12 %, para garantizar una
permeabilidad menor que 1 x 10-3 cm/s, y poseer la
granulometría recomendada por CFE que aparece en la tabla 4.
- El material 3A debe diseñarse como filtro del material 2B, para lo
cual se podrá tomar en cuenta la granulometría integral de este
( último material. Las granulometrías que aparecen en la fig. 11,
con tamaño máximo de hasta 20 cm, porcentaje de arena mayor
que 30% y porcentaje de finos menor que 3 a 5 % garantizan una
cumplir adecuadamente con la función de retener y drenar
adecudamente al material 2B.
C
- La selección del modelo constitutivo y de los parametros de
deformabilidad de los materiales de la presa son, evidentemente,
los puntos más importante del análisis del comportamiento
esfuerzo deformación de la presa.
Para definir con suficiente precisión estos parámetros, es
necesario realizar pedraplenes de prueba y ensayos de odometro
gigante, asi como tomar en cuenta el comportamiento de las
presas ya construidas.
c

e
Diseño geotcnico de presas de enrocarniento con cara de concreto. Aspectos fundamentales
c
- El uso de aluviones o enrocamientos sanos, de granos duros o
semiduros, bien graduados, con porcentajes de arena
preferiblemente mayor que 15% y porcentaje de gravas por arriba
c. de 40%, permiten obtener bajas relaciones de vacíos y, por lo
tanto, altos módulos de deformabilidad.
Deben evitarse enrocamientos uniformes, con bajos porcentajes
de arena y de gravas, ya que serán altamente deformables.
- Es importante que las pruebas de odometro gigante de los
C
enrocamientos y los aluviones se lleven a presiones similares o
mayores que las reales, para garantizar que a ese nivel de
presiones no se incrementará la rotura de granos y no se
presentará un incremento súbito en la deformabilidad de estos
materiales.
C
- La cuidadosa instrumentación de cada una de las obras y el
monitoreo de su comportamiento, son aspectos muy importantes
que permiten validar categóricamente los criterios de diseño
empleados.
S. AGRADECIMIENTOS
c. El autor agradece a los ings. Gustavo Arizu Lara y Guillermo Guerrero
Villalobos y al Dr. Daniel Reséndiz Nuñez por haber aceptado comentar
este trabajo. Asimismo, agradece al Ing. Eduardo Almazán por haber
procesado parte de la información presentada; al Sr. Manuel Guzmán
por haber el apoyo en la realización de las figuras; a los ings. Reginaldo
C
Hernández, Antonio Vargas y Enrique Mena por haber proporcionado la
información de los resultados de la instrumentación del PH La Yesca.
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