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INFORME TÉCNICO DE LA REPRESA CARITAYA DESPUES DEL SISMO DEL DÍA 13 DE JUNIO DE 2005. DE MAGNITUD MS DE

7.8

1. INTRODUCCIÓN

En el presente documento se presenta un informe sobre la visita realizada por el

infrascrito al embalse Caritaya, en la Primera Región, la última semana del mes de julio

de 2005.

Esta visita, dispuesta por el Sr. Director de Obras Hidráulicas, tenía como objetivo

principal realizar una inspección técnica del embalse Caritaya tras el sismo del 13 de

junio de 2005, cuya magnitud fue de 7.8 en la escala de Richter, con epicentro ubicado

41 km al sur de la localidad de Chiapa.

El segundo objetivo de la visita era realizar una evaluación del sitio de embalse

Umirpa, solicitada verbalmente por la Sra. Alcaldesa de la Comuna de Camarones

en reunión sostenida con el Sr. Director de Obras Hidráulicas. En informe separado se

dará cuenta de dicha evaluación.

2. EMBALSE CARITAYA

2.1 Antecedentes del Proyecto

El Embalse Caritaya se ubica sobre el río Caritaya, unos 10 km aguas arriba de su

confluencia con el río Ajatama. La presa que conforma el embalse es del tipo

CFRD, de unos 40 m de altura, formada por enrocados con una pantalla de

hormigón en el paramento de aguas arriba. Esta presa, terminada en 1935, es la

primera de su tipo en Chile, y octava a nivel mundial, por lo tanto es claramente una

obra pionera, que sólo fue precedida por siete obras similares, construidas casi en su

totalidad en Estados Unidos.

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El embalse Caritaya fue proyectado con las técnicas existentes en su época, consistentes en:

Cuerpo de presa compuesto de enrocados vertidos, probablemente colocados

sin riego y sin compactación, como fue el caso de Cogotí, con taludes externos

de 1.5:1 en ambos paramentos. La coronación se proyectó con una contraflecha

variable desde 0 a un valor de 0.75 m en la zona central.

Impermeabilización del talud de aguas arriba mediante una pantalla de hormigón,

conformada por un sistema doble de losas articuladas, siendo sus dimensiones de

7.50x7.50 m las inferiores y de 2.50x2.50 m las superiores. No se sabe bien si

el sistema de losas es doble o triple, hay planos con ambas disposiciones y no

se conoce cuales corresponden al proyecto construido. Estas losas son armadas,

con espesores variables de 0.25 m a 0.10 m las inferiores y de espesor constante

de 0.10 m (o 0.075 m) las superiores. Entre las dos (o tres) series de losas se

colocó una capa de pasta asfáltica de 2 cm de espesor. Con el mismo

material se rellenó las juntas de 2 cm entre losas inferiores y de 1 cm entre

losas superiores. Las losas inferiores estarían apoyadas sobre una capa de 2 m de

espesor de piedras arregladas a mano y sobre nervaduras de hormigón bajo

todas las juntas. La pantalla se apoya en los estribos en una zanja rellena con

hormigón. El proyecto contempla un diente de fundación en la zona de valle.

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Túnel de desvío: es una estructura revestida en hormigón, situada en el estribo

izquierdo, que tiene sección medio punto, con 4 m de base y 3 m de altura.

Dentro del túnel se encuentran las obras de entrega, compuestas originalmente

por una válvula de aguja y otros elementos mecánicos, ubicados bajo el pique

de maniobras. En 1970 se realizó un reemplazo de todos estos dispositivos.

Vertedero: está situado en la ladera izquierda y es del tipo frontal, formado por un

canal excavado en roca, sin revestimientos. En su primera parte tiene a su lado

derecho un muro de albañilería, en el resto no hay canalización, entregándose

el agua por una ladera rocosa de fuerte pendiente.

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2.2 Debilidades del Proyecto

Cuerpo de presa: Los taludes elegidos son estables, pero la técnica de

colocación de los enrocados implica la posibilidad de que se desarrollen grandes

deformaciones (asentamientos y otras), ya sea instantáneas debidas a eventos

sísmicos o paulatinas en el tiempo, que finalmente se traduzcan en filtraciones.

Pantalla de hormigón: se ha detectado en varias presas CFRD, que tras el llenado

del embalse, la pantalla de hormigón queda sometida en su mayor parte a

esfuerzos de compresión, con excepción de las zonas próximas a las laderas,

donde se producen esfuerzos de tracción. Este estado tensional induce a que las

losas tiendan a juntarse en la zona central y a separarse cerca de las laderas. Las

juntas asfálticas de 2 cm dispuestas en las juntas entre losas en Caritaya facilitan

estos movimientos, potenciando las aperturas en la zona próxima a las laderas,

con la consecuencia lógica de facilitar la producción de filtraciones. Lo anterior

no es visible desde la superficie, por la existencia de las losas superiores, sobre

las cuales no se puede afirmar a priori que tendrían que seguir exactamente el

movimiento de las inferiores. Por otra parte, al estar las losas apoyadas en piedras

arregladas a mano, que a su vez descansan en enrocados sin compactación,

se facilita la aparición de movimientos diferenciales que podrían originar

momentos de flexión, con el potencial riesgo de fisuración.

Túnel de desvío: la ubicación del tapón de hormigón, de 3 m de espesor, es

inadecuada, ya que por estar aguas abajo de la presa, deja a esta estructura

sometida a eventuales presiones de filtraciones provenientes del tramo de túnel

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aguas arriba del tapón, que recibe toda la presión del lago. Por otra parte, el túnel

se conecta directamente al lago, a baja cota, sin una torre de toma que forme un

volumen de aguas muertas, por lo tanto, facilitando la entrada de sedimentos y

una eventual futura colmatación, que impediría la captación y entrega de aguas

del embalse.

Vertedero: hidráulicamente esta obra presenta varios problemas, entre otros, la

falta de canalización y de una estructura de disipación de la energía. Entregar el

agua libremente por la ladera conduce a problemas de erosión, que podrían

poner en riesgos a otras estructuras del embalse.

2.3 Inspección del día 26 de julio de 2005

La visita a terreno se realizó para verificar el estado del embalse tras el sismo del día

13 de junio de 2005. Este evento tuvo una magnitud Ms de 7.8, y su epicentro estuvo

localizado a unos 100 km al sur de Caritaya, con foco a 108 km de profundidad.

Aplicando la fórmula de Martin se obtiene una aceleración en el suelo de 0.19 g

para Caritaya. Esta aceleración es similar a la que se habría producido en el

embalse Cogotí con ocasión del sismo de Illapel de 1943, de magnitud 7.9 en la

escala de Richter, produciendo un asentamiento de 0.40 m.

Un cálculo aproximado basado en este antecedente, nos indicaría que en Caritaya el

asentamiento podría haber sido del orden de 0.10 m. El valor real sería inferior a esta

cifra, ya que el asentamiento sísmico de Cogotí se produjo unos 4 años después del

término de la construcción, cuando el proceso normal de consolidación estaba recién

empezando. En Caritaya el sismo ocurrió 75 años después de terminado el embalse,

encontrando a la presa en su período final de asentamientos. Es imposible conocer el

valor real de la deformación producida por el sismo en Caritaya, porque no se lleva

un control de los asentamientos.

2.3.1 Inspección de la presa

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Durante la visita, el lago se encontraba aproximadamente en la cota 3609.50 m.s.n.m.,

unos 10.50 m bajo la cota de coronación de la presa (3620 m.s.n.m.). En la sitio no se

encuentran los limnímetros que se colocaron durante su construcción, por lo tanto la

cota se obtuvo contando las losas que se encontraban sobre el espejo de aguas, en

una zona cercana al estribo izquierdo (losa superior de 1.00 m; 7 losas de 2.50 m y un

tramo de losa de 0.50 m).

Se inspeccionó visualmente la coronación de la presa y los dos paramentos, no

pudiéndose apreciar que hubiera asentamientos, grietas u otras señales que se pudieran

atribuir al sismo del mes de junio, salvo el tema de filtraciones que se tratará más

adelante. Lo anterior fue corroborado por los funcionarios Luis Palominos y José

Miguel Tapia, quienes conocían el estado de la presa por visitas anteriores a la misma.

El estado de la presa ha sido documentado en varios informes anteriores (Gálvez y Gei,

1986; IPLA LTDA, 1993; Atria y Ahumada, 2004). En esta ocasión, cabe reafirmar que

existe una deformación importante de la presa en una zona cercana al estribo derecho,

consistente en un asentamiento de la coronación de unos 0.60 m y una deformación

hacia el exterior de una parte del paramento de aguas arriba, donde se observan

levantadas las losas respecto al plano de la pantalla de hormigón.

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En la mayor parte de la zona visible de la pantalla, se observa que el material asfáltico

colocado como relleno de las juntas ha fluido hacia el exterior. Varias losas se observan

agrietadas, y algunas se encuentran parcialmente destruidas, mostrando las armaduras. Se

observan también desalineamientos de algunas losas individuales respecto a sus vecinas,

en los tres ejes.

Desde luego, es imposible observar el estado en que se encuentran las losas inferiores,

que forman el principal elemento de impermeabilización.

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2.3.2 Filtraciones de la presa

Las filtraciones de la presa aparecen en una zona cercana al portal de salida del túnel.

Durante la visita se realizó un aforo con molinete, obteniéndose un caudal de 205 l/s.

El agua se observaba limpia, sin sedimentos. Lo anterior se corroboró tomando una

muestra que se llevó a Arica. Tras 30 horas de reposo, no había señales de sedimentos

al fondo de la botella.

El caudal medido de 205 l/s es cuatro veces superior el existente antes del sismo,

estimado por la oficina regional en 50 l/s. En el informe de IPLA (1993), se indica

un caudal de filtraciones de 20 l/s, para una cota de lago levemente inferior a la

existente en julio de 2005. En consecuencia, se ha producido un significativo aumento

de las filtraciones, que podría atribuirse a los efectos del sismo en la pantalla de

hormigón y en su unión a la roca de los estribos.

En terreno no se advirtió vórtices u otras señales de que las filtraciones se

originaran en losas cercanas a la superficie del agua. Por lo tanto, ellas se generan

en zonas más profundas. Dada la inexistencia de un plinto, los gradientes hidráulicos

son elevados en los apoyos de la pantalla de hormigón.

El proyecto no contempló inyecciones de ningún tipo en la roca de fundación,

compuesta según un plano con perfiles geológicos encontrado en archivos de la

DOH, de rocas basálticas, las que se aprecian agrietadas en superficie. Por lo tanto,

en todo el tema de filtraciones hay incógnitas que deberían ser investigadas.

El plano mencionado en el párrafo anterior, elaborado en la época del proyecto, incluye

cuatro perfiles geológicos, tres transversales a la angostura y uno longitudinal por el eje

del túnel. En estos perfiles se indica la existencia de un “manto de arcilla” de hasta 10

a 12 m de espesor, situado en el tercio inferior de la fundación de la presa. Cabe

señalar que en los años en que se realizó el proyecto, la mecánica de suelos estaba

recién naciendo y era desconocida en Chile. No había herramientas para diferenciar las

arcillas de los limos. Se plantea, por consiguiente, una duda respecto a la estabilidad

interna de este manto, ya que es claro que en Caritaya no se construyó ningún

dispositivo (filtros u otros) para impedir la migración de parte de este material hacia la

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presa, por presiones de filtración.

En consecuencia, aún cuando la presa es de enrocados, por lo tanto inherentemente

estable ante importantes caudales de filtraciones, no se puede asegurar que no existan

riesgos de estabilidad dada la existencia del manto de “arcilla”.

2.3.3 Túnel y obras de entrega

En 1970 se reemplazó los dispositivos mecánicos originales por dos válvulas de chorro

hueco, colocadas en el portal de salida, al extremo de dos tuberías de 500 mm de

diámetro. En la zona inmediata al tapón se dispuso las respectivas válvulas de guarda,

del tipo mariposa, de 600 mm de diámetro.

Este sistema mecánico presenta síntomas de un colapso total inminente. Las tuberías by

pass de las válvulas de guarda están rotas y hay juntas de la tubería principal abiertas,

sin los sellos de goma. Esto se debe al progresivo deterioro de estos elementos en

el tiempo, ya que están totalmente corroídos. El espesor nominal de las tuberías era

de 6 mm. En 1993 se midió el espesor residual, constatándose en varios puntos valores

inferiores a 4 mm, incluso un valor puntual de 2.8 mm.

Es probable que las solicitaciones adicionales impuestas por el sismo hayan

producido las roturas señaladas anteriormente. El efecto final es que por estas zonas

falladas se estaba descargando 200 l/s (aforados con micromolinete cerca del portal de

salida del túnel) de agua a presión que no deja observar si hay filtraciones en el túnel

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en el área que rodea al pique vertical.

Es inminente la ocurrencia de colapsos adicionales que dejen fuera de control el sistema.

Por lo tanto es de suma urgencia efectuar las reparaciones que ya están propuestas,

considerando el procedimiento como una obra de emergencia.

En cuanto a filtraciones en el túnel, se observa su existencia en la zona cercana al pique

de maniobras, expresadas en pequeños chorros de agua sin presión, en lagrimeos y

humedades, principalmente en la clave del túnel. Bajo el pique y junto al tapón es

imposible la observación, porque las fugas de agua desde el sistema de tuberías impiden

totalmente su detección.

2.3.4 Vertedero

No se observan daños que pudieran atribuirse al sismo. Sin embargo, subsisten

problemas de diseño que deben ser resueltos.

3. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Las obras del embalse Caritaya, de 40 hm3 de capacidad, fueron terminadas

en 1935, con diseños y tecnología de construcción propios de la época, que

presentan peligrosas deficiencias a la luz de los actuales conocimientos de la

ingeniería de grandes presas.

Luego del reciente sismo del 13 de junio de 2005, hay signos evidentes de

peligro para la estabilidad de la presa: se ha medido un aumento significativo

de las filtraciones, que se han cuadruplicado respecto a las históricas, y se ha

constatado el colapso parcial de las obras de entrega, que no resistieron las

solicitaciones sísmicas por encontrarse severamente corroídas sus tuberías y válvulas.

Se deben ejecutar trabajos de rehabilitación de las distintas obras del

embalse, que tienen todos un carácter de emergencia, es decir deben ser

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abordados en el mínimo plazo posible para dejar a la presa en condiciones de

seguridad. Estos trabajos comprenderían: a) Diseño de las obras de entrega

(válvulas, tuberías y cepas de apoyo), especificaciones de fabricación, suministro

y montaje; presupuesto; b) Montaje de estas obras de entrega; c) Estudio

completo de rehabilitación del embalse, incluyendo prospecciones; estudios

geológico- geotécnicos, hidrológicos e hidráulicos especiales; análisis de

estabilidad y diseños de rehabilitación, especificaciones técnicas y presupuestos;

d) Construcción de las obras de rehabilitación de la presa, túnel y vertedero.

Debe iniciarse de inmediato el vaciado del embalse, para eliminar los riesgos de

estabilidad ya señalados, y posibilitar la realización de los estudios y trabajos de

rehabilitación.

Se debe iniciar un monitoreo de las filtraciones, midiendo el caudal y

observando si hay cambios en cuanto a arrastre de sedimentos. Al mismo tiempo

debe registrarse la cota del lago, para relacionar estos dos parámetros. Lo ideal

sería tener un registro continuo. Dada las dificultades de acceso al embalse, se

recomienda una frecuencia mínima de mediciones de una vez a la semana.

Se debe monitorear los asentamientos de la presa, mediante registro de la cota de

monolitos de control ubicados a lo largo de todo el coronamiento.