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Estudio geotécnico, geológico y geofísico para el emplazamiento de la presa Piques – San Juan de Bigote – Morropón – Piura
Resumen Ejecutivo
Este estudio integral presenta una evaluación multidisciplinaria para el emplazamiento de la presa Piques, una estructura homogénea proyectada de 30.5 m de altura y 1,010 m de longitud de corona en la quebrada Piques (Piura, Perú). La investigación combinó métodos geológicos, geotécnicos y geofísicos para caracterizar el terreno y garantizar la estabilidad y viabilidad del proyecto. Los estudios geológicos identificaron un sinclinal con unidades metamórficas y sedimentarias, mientras que la exploración geotécnica mediante 4 calicatas reveló suelos clasificados como GC (grava arcillosa) y GW (grava bien graduada), con parámetros de resistencia como φ = 31.60°, densidad = 2.07 g/cm³ y cohesión = 0.34 kg/cm². El análisis de estabilidad de taludes utilizando el software Slide 6.0 (método de Morgestern-Price) arrojó factores de seguridad satisfactorios: 1.836 en condición estática y 1.102 en condición pseudoestática. Los estudios geofísicos (4 líneas de refracción sísmica y 26 sondeos eléctricos verticales) permitieron caracterizar el subsuelo, identificando estratos desde material suelto hasta roca poco alterada. Los resultados validan técnicamente el emplazamiento propuesto y proporcionan los parámetros necesarios para el diseño seguro de la presa.
El estudio integral validó técnicamente el emplazamiento de la presa Piques mediante una combinación de metodologías. Los análisis de estabilidad arrojaron factores de seguridad satisfactorios (1.836 estático y 1.102 pseudoestático). La caracterización geotécnica identificó suelos GC y GW con φ = 31.60° y densidad = 2.07 g/cm³. Los estudios geofísicos revelaron un subsuelo estratificado con velocidades de onda P entre 357-4181 m/s, indicando progresión desde material suelto hasta roca competente. La investigación concluye que el sitio es adecuado para la construcción de una presa homogénea con las medidas de impermeabilización y protección recomendadas.
Contexto y Problemática
El desarrollo agrícola en la región de Piura se ve limitado por la irregular disponibilidad de recursos hídricos, dependiente de precipitaciones estacionales. La presa Piques se proyecta como infraestructura de almacenamiento para regular el caudal del río y asegurar el riego de tierras cultivables. Ubicada en las coordenadas 634 070 E, 9 415 012 N, la presa homogénea tendría 30.5 m de altura, 1,010 m de longitud de corona y capacidad para un caudal de diseño de 1.559 m³/s. La complejidad geológica de la zona —caracterizada por rocas metamórficas y sedimentarias de la Cordillera de los Andes, con presencia de un sinclinal y actividad sísmica moderada (zona sísmica N°3 con Z=0.35)— requiere una evaluación exhaustiva previa a la construcción. Este estudio aborda la necesidad de integrar datos geológicos, geotécnicos y geofísicos para fundamentar el diseño, garantizar la estabilidad a largo plazo y mitigar riesgos asociados a deslizamientos, sismicidad y erosión.
Metodología de Investigación
1. Enfoque y Diseño
- Tipo: Investigación aplicada con diseño descriptivo, enfoque cuantitativo y nivel correlacional.
- Área de estudio: Localidad de San Juan de Bigote, Morropón, Piura (emplazamiento de la presa Piques).
- Técnicas de recolección: Fuentes secundarias (tesis, estudios previos) y fuentes primarias (trabajos de campo in situ y ensayos de laboratorio).
2. Métodos Específicos por Disciplina
- Geología: Cartografiado, mapeo geológico, análisis litoestratigráfico, evaluación geomorfológica estructural y dinámica, identificación de unidades y riesgos geodinámicos externos (deslizamientos, huaycos, inundaciones).
- Geotecnia:
- Ejecución de 4 calicatas (CPP-1 a CPP-4) a profundidades de 1.80-3.00 m según norma ASTM D 420.
- Clasificación SUCS de suelos, ensayos de límites de Atterberg, humedad, densidad.
- Ensayo de corte directo para obtener cohesión (c) y ángulo de fricción interna (φ).
- Cálculo de capacidad portante admisible (qadm) y asentamientos mediante fórmulas de Terzaghi & Peck (1996) y parámetros de Vesic (1973).
- Análisis de Estabilidad: Modelamiento en software Slide 6.0 utilizando el método simplificado de Morgestern-Price (equilibrio límite) para las condiciones estática y pseudoestática del talud más crítico de la presa.
- Geofísica:
- Refracción sísmica: 4 líneas (RFP-1, RFP-2, RFP-3, RFT2-1) totalizando 105 m lineales, para determinar espesores de estratos y velocidades de ondas P (Vp).
- Sondeo eléctrico vertical (SEV): 26 ensayos distribuidos en 9 secciones geoeléctricas, para determinar resistividades y estratigrafía del subsuelo.
Resultados Principales
1. Caracterización Geológica y Geomorfológica
Contexto regional: La zona pertenece a unidades del Neo Proterozoico (Complejo Olmos) y presenta rocas metamórficas y sedimentarias. La estructura dominante es un sinclinal con eje NNE-SSO que converge en el eje de la presa.
Geomorfología: Predominan relieves montañosos en rocas metamórficas (pendientes 25°-45°) y piedemontes aluviales torrenciales (pendientes 15°-25°).
Sismicidad: La presa se ubica en zona sísmica N°3 (Z=0.35), con suelo tipo S2 (intermedio), período predominante TP = 0.6 s, factor de amplificación TL = 2.00, y aceleraciones máximas entre 0.24g-0.26g.
2. Caracterización Geotécnica y Parámetros del Suelo
Clasificación SUCS y Propiedades Index: Los suelos de fundación se clasificaron principalmente como GC (grava arcillosa) y GW (grava bien graduada).
| Calicata | Prof. (m) | Clasif. SUCS | % Humedad | Densidad (g/cm³) | Cohesión (kg/cm²) | Ángulo φ (°) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| CPP-1 | 1.80 | GC | 9.59 | 1.91 | 0.33 | 15.60 |
| CPP-2 | 3.00 | GW | 5.20 | 2.07 | 0.02 | 31.60 |
| CPP-3 | 1.80 | GC | 8.64 | 1.93 | 0.34 | 16.60 |
| CPP-4 | 3.00 | GC | 5.42 | - | - | - |
Capacidad Portante Admisible: Para una zapata de ancho B=1 m y profundidad Df=10 m, se obtuvo qadm = 4.01 kg/cm² en CPP-1 y 16.79 kg/cm² en CPP-2. Los asentamientos calculados fueron menores a 2.54 cm (límite permisible), con valores típicos de 0.43 cm (CPP-1) y 0.16 cm (CPP-2).
3. Análisis de Estabilidad de Taludes
Factores de Seguridad Obtenidos: El análisis del talud más crítico de la presa mediante el método de equilibrio límite (Slide 6.0) arrojó valores que garantizan la estabilidad:
| Condición de Análisis | Factor de Seguridad (Fs) | Evaluación |
|---|---|---|
| Estática | 1.836 | Cumple (Fs > 1.5 típico para presas) |
| Pseudoestática (sísmica) | 1.102 | Cumple (Fs > 1.0 en condición sísmica) |
Estos valores indican que la presa mantendría estabilidad tanto bajo cargas gravitacionales como ante solicitaciones sísmicas consideradas en el diseño.
4. Caracterización Geofísica del Subsuelo
Refracción Sísmica: Las 4 líneas permitieron identificar estratos con velocidades de onda P (Vp) crecientes, indicando mayor compactación/competencia con la profundidad.
| Estrato (Material Interpretado) | Vp (m/s) | Espesor (m) | Descripción |
|---|---|---|---|
| Material suelto / suelo aluvial | 357 - 700 | 0 – 5.1 | Suelo intemperizado o de origen aluvial |
| Ripado fácil / roca muy alterada | 700 - 1,500 | 1.5 – 10.8 | Posible roca muy alterada o aluvión compacto |
| Ripado duro / roca alterada | 1,500 - 3,000 | 10.2 – 21.6 | Roca alterada o aluvión muy compacto |
| Material no ripable / roca poco alterada | 3,000 - 5,500 | >21.6 | Roca poco alterada a sana |
Sondeos Eléctricos Verticales (SEV): Los 26 SEV confirmaron una estratificación de 3 capas principales: 1) suelo/intemperizado (2.5-4.2 m, 96-2310 Ω·m), 2) roca fracturada húmeda (22-29.3 m, 38.7-53.1 Ω·m), 3) roca poco alterada/sana (resistividad 2095-2610 Ω·m).
Discusión e Interpretación
Integración Multidisciplinaria para la Toma de Decisiones
- Validación cruzada de métodos: La concordancia entre los datos geotécnicos (calicatas), geofísicos (Vp, resistividad) y geológicos (mapeo) proporciona una caracterización robusta y confiable del sitio. Los estratos identificados geofísicamente coinciden con los materiales encontrados en las calicatas (gravas, roca fracturada).
- Estabilidad garantizada: Los factores de seguridad obtenidos (1.836 estático, 1.102 pseudoestático) cumplen con los criterios de diseño para presas de tierra, indicando que el talud de la presa y la cimentación serán estables bajo condiciones normales y sísmicas. El valor pseudoestático >1.0 es particularmente importante dada la sismicidad de la zona.
- Adecuación del suelo de fundación: Los suelos GC y GW, con ángulos de fricción de hasta 31.60° y capacidades portantes admisibles de hasta 16.79 kg/cm², son adecuados para soportar una presa homogénea. Los bajos asentamientos calculados (< 2.54 cm) minimizan riesgos de deformación diferencial.
- Consideraciones para el diseño: La presencia de un sinclinal y rocas metamórficas fracturadas requiere especial atención en el tratamiento de la cimentación y la impermeabilización. La recomendación de utilizar geomembrana y una capa de arcilla (K=3.28x10-8 cm/s) responde a la necesidad de controlar filtraciones a través de posibles zonas fracturadas.
Conclusiones Principales
- La caracterización geotécnica del suelo de fundación clasificó los materiales como GC (grava arcillosa) y GW (grava bien graduada), con parámetros resistentes favorables: ángulo de fricción φ = 31.60°, densidad = 2.07 g/cm³ y cohesión = 0.34 kg/cm². La capacidad portante admisible y los asentamientos calculados son adecuados para la cimentación de la presa.
- El análisis de estabilidad de taludes utilizando el método de equilibrio límite (software Slide 6.0) arrojó factores de seguridad que garantizan la estabilidad estructural: 1.836 en condición estática y 1.102 en condición pseudoestática (sísmica), cumpliendo con los criterios de diseño establecidos.
- Los estudios geofísicos (4 líneas de refracción sísmica y 26 SEV) revelaron un subsuelo estratificado con una secuencia de material suelto/aluvial (0-5 m), roca alterada/compacta (hasta ~21 m) y roca competente poco alterada en profundidad. Esta caracterización es consistente con los hallazgos geológicos y geotécnicos.
- El contexto geológico-estructural del emplazamiento, dominado por un sinclinal y rocas metamórficas fracturadas, junto con la sismicidad moderada de la zona, exige medidas específicas de diseño, incluyendo una capa impermeable (geomembrana y arcilla) y protección contra erosión (rip-rap y filtros).
- La integración de los estudios geológico, geotécnico y geofísico valida técnicamente el emplazamiento propuesto para la presa Piques y proporciona una base sólida para su diseño final como una presa homogénea de 30.5 m de altura, asegurando su estabilidad, durabilidad y funcionalidad para el almacenamiento de agua y riego.
- Este estudio demuestra la eficacia de un enfoque multidisciplinario en la evaluación de sitios para infraestructura crítica, donde la combinación de métodos de campo, laboratorio y modelamiento numérico es esencial para mitigar riesgos y optimizar el diseño ingenieril.
Palabras claves: Presa, estudio geológico, emplazamiento, geofísica, geotecnia, estabilidad de talud, refracción sísmica, sondeo eléctrico vertical, caracterización de suelos, capacidad portante, factor de seguridad, Slide 6.0, SUCS, Piura.
Referencia Completa
Sanchez Espinoza, B. S. (2023). Estudio geotécnico, geológico y geofísico para el emplazamiento de la presa piques – San Juan de Bigote – Morropón – Piura. Revista del Instituto de Investigación de la Facultad de Minas, Metalurgia y Ciencias Geográficas, 26(52), e26025. https://doi.org/10.15381/itgeo.v26i52.26025
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