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Integrated Geological, Geophysical, and Geotechnical Site Characterization of Ajima Dam Site, Amhara Region, Ethiopia: Implications for Seepage and Foundation Stability

Este estudio presenta una caracterización geológica, geofísica y geotécnica integrada del sitio de la presa de Ajima en Etiopía, revelando riesgos críticos de estabilidad de la cimentación y filtración debido a una capacidad de carga insuficiente y una alta permeabilidad, y recomendando medidas de mitigación específicas tales como excavación profunda, inyección de cortina y modificaciones de diseño sismorresistente.

Autores originales: Tadesse Demisie Fenta, Nigus Kebde Asmerom, Leulaem Shano Bako

Publicado 2026-07-02

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CC BY 4.0

Autores originales: Tadesse Demisie Fenta, Nigus Kebde Asmerom, Leulaem Shano Bako

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

El panorama general: Construir una casa sobre un cimiento inestable

Imagine que quiere construir una casa enorme y pesada (la presa) que contendrá un lago gigante. Antes de verter el concreto o colocar los ladrillos, necesita saber: ¿Es el suelo debajo lo suficientemente fuerte para soportarlo? ¿Se filtrará el agua a través del piso? Y ¿se desmoronará el suelo si ocurre un terremoto?

Este artículo es un "chequeo médico" detallado del terreno en el sitio de la Presa de Ajima en Etiopía. Los investigadores utilizaron tres "doctores" diferentes para examinar el sitio:

Geólogos (que observan las rocas y trazan mapas).
Geofísicos (que usan ondas sonoras y electricidad para ver bajo tierra sin excavar).
Ingenieros geotécnicos (que perforan agujeros y prueban la resistencia del suelo).

El diagnóstico: Tres problemas principales

1. La "capa superior débil" (Capacidad de carga)

El problema: Los primeros 5 metros (unos 15 pies) de terreno son como una esponja empapada o una pila de arena suelta. Es demasiado débil para soportar el peso de la presa.
La analogía: Imagine intentar estacionar un camión pesado sobre un colchón. El camión (la presa) pesa 1.154 MPa (una medida de presión), pero el colchón (el suelo superior) solo puede soportar 1.1 MPa. Si estaciona el camión, el colchón se colapsa.
El hallazgo: El terreno es actualmente inseguro. El "Factor de Seguridad" es menor a 1.0, lo que significa que un colapso es probable si construyen ahora mismo.
La solución: Recomiendan excavar (eliminar) los 5 a 6 metros superiores de este material débil para llegar al terreno más duro que se encuentra debajo.

2. El "cubo con fugas" (Filtración)

El problema: El agua es muy buena encontrando grietas. El estudio encontró que el terreno en el lado izquierdo del valle y el fondo del valle está lleno de grietas y agujeros, actuando como un tamiz.
La analogía: Piense en el cimiento de la presa como un cubo. Si el cubo tiene agujeros en el fondo y los lados, el agua se filtrará antes de que pueda llenarse. Los investigadores encontraron "valores Lugeon" (una medida de qué tan rápido se filtra el agua) de hasta 75 en algunos puntos. Esto es como un cubo con un agujero gigante perforado en él.
Los detalles:

Lado izquierdo y fondo del valle: Muy filtrante (como un colador).
Lado derecho: Mucho mejor, principalmente roca sólida (como un cubo de plástico sólido).
Peligros ocultos: Encontraron cuevas naturales en el suelo rojo (laterita) en el lado derecho. Estas son como túneles ocultos por los que el agua podría correr rápidamente, lavando el suelo desde el interior (erosión interna).
La solución:
Cortina de lechada (Grout Curtain): Imagine inyectar una pared gigante de pegamento de cemento profundamente bajo tierra (30 metros de profundidad) para sellar todas las grietas. Planean hacer esto en 2 o 3 filas para asegurar que no se filtre agua.
Manto aguas arriba (Upstream Blanket): Colocarán una manta gruesa e impermeable (arcilla) en el suelo frente a la presa para obligar al agua a tomar un camino más largo y difícil para pasar, ralentizándola.

3. El "riesgo sísmico" (Peligro sísmico)

El problema: La presa se construye en una zona de rift tectónico (donde las placas de la Tierra se están separando). Esta área es propensa a terremotos.
La analogía: Imagine una tabla de madera rígida (el lecho rocoso profundo) cubierta por una capa de gelatina (el suelo superficial blando). Si sacude la tabla, la gelatina se tambalea violentamente y amplifica el movimiento.
El hallazgo: La capa de suelo blando amplificará las ondas sísmicas, haciendo que el temblor se sienta el doble de fuerte de lo que sería en roca sólida. También existe el riesgo de que el suelo blando se convierta en líquido (licuefacción) durante un sismo, causando que la presa se hunda o se incline.
La solución: La presa debe diseñarse específicamente para resistir estos temblores más fuertes (usando un estándar de "PGA de 0.20g") y el suelo débil debe ser tratado para que no se convierta en gelatina.

Las "Buenas Noticias" (¿Qué hay en lo profundo?)

Aunque la capa superior es un desastre, cuanto más profundo se va, mejor se pone la situación.

0–5 metros: Débil, meteorizado, filtrante.
5–35 metros: Mejorando, pero aún con grietas.
Debajo de 35 metros: El terreno se convierte en "Ignimbrita Fresca" (un tipo de roca volcánica). Esto es como golpear concreto sólido. Es fuerte, tiene muy pocas grietas y no deja pasar el agua.

La "Prescripción Final" (Recomendaciones)

Basándose en este "chequeo médico", los investigadores dan una receta específica para salvar el proyecto:

Excave: Elimine los 5–6 metros superiores de suelo débil en el valle.
Selle con pegamento: Perfore profundos agujeros e inyecte cemento (lechada) a 30 metros de profundidad para sellar las fugas. Use un pegamento químico especial para las áreas con cuevas.
Cubra: Coloque una manta impermeable de 30 metros de largo frente a la presa.
Construya con fuerza: Diseñe la presa para manejar el temblor específico de esta zona sísmica.

Resumen

El sitio de la Presa de Ajima es una ubicación complicada. El terreno es actualmente demasiado débil para soportar la presa, demasiado filtrante para retener el agua y demasiado inestable para un diseño estándar. Sin embargo, el estudio demuestra que si se excava la capa superior débil y se sellan las grietas profundas con cemento, la roca sólida debajo es lo suficientemente fuerte como para soportar una presa segura y duradera. Sin estas correcciones, la presa probablemente fallaría, filtraría agua o colapsaría durante un terremoto.

Resumen Técnico: Caracterización Integrada Geológica, Geofísica y Geotécnica del Sitio de la Presa de Ajima

Planteamiento del Problema
La presa de Ajima, una propuesta de estructura de terraplén de tierra de 48 m de altura en la región de Amhara, Etiopía, presenta desafíos de ingeniería significativos debido a su ubicación dentro de la zona tectónicamente activa del Gran Valle del Rift de Etiopía. Fallos previos en presas de la región, como la presa de Katar, se han atribuido a investigaciones geológicas y geotécnicas insuficientes previas a la construcción. Las principales preocupaciones en el sitio de Ajima incluyen la posible inestabilidad de la cimentación, la filtración incontrolada y la vulnerabilidad sísmica. Específicamente, el estudio aborda la necesidad de caracterizar el complejo entorno litológico (dominado por toba, ignimbrita, basalto y laterita), evaluar la capacidad de carga de la cimentación en relación con la carga de diseño de la presa e identificar anomalías de permeabilidad que podrían derivar en fugas en el reservorio o erosión interna.

Metodología
El estudio emplea un enfoque multidisciplinario que integra el mapeo geológico, los levantamientos geofísicos y los ensayos geotécnicos para crear una caracterización integral del sitio.

Investigación de Campo y Subsuperficie: Se perforaron diecinueve sondeos hasta una profundidad total de 633 m (17 en la cimentación de la presa). Los ensayos de campo incluyeron el Ensayo de Penetración Estándar (SPT) para la resistencia del suelo y pruebas de Packer (Lugeon) para determinar la permeabilidad de la masa rocosa.
Levantamientos Geofísicos: Se realizaron levantamientos de resistividad eléctrica (Sondeo Eléctrico Vertical y Perfilado Eléctrico) y levantamientos de refracción sísmica para mapear la litología de la subsuperficie, el espesor de la sobrecarga y los contrastes de velocidad.
Ensayos de Laboratorio: Las muestras de suelo se sometieron a análisis de granulometría, límites de Atterberg y pruebas de permeabilidad. Las muestras de roca fueron sometidas a pruebas de Resistencia a la Compresión Simple (UCS).
Integración de Datos: Se calcularon el Rating de la Masa Rocosa (RMR) y la Calidad de la Recuperación de Núcleo (RQD) para clasificar la calidad de la masa rocosa. Los datos de las tres disciplinas se validaron de forma cruzada para desarrollar un modelo geoconceptual y un mapa geológico de ingeniería.

Resultados Clave

Estabilidad de la Cimentación y Capacidad de Carga: Se identificó un desajuste crítico entre la carga y el esfuerzo. La capacidad de carga admisible de los 5 m superiores del fondo del valle es inferior a 1,1 MPa, lo cual es insuficiente para la carga aplicada de la presa de 1,154 MPa. Esto resulta en un Factor de Seguridad (FOS) inferior a 1,0, lo que indica un alto riesgo de deformación o falla sin intervención.
Permeabilidad y Filtración: El sitio exhibe una alta heterogeneidad en la permeabilidad.
- Fondo del Valle y Abutamiento Izquierdo: Estas zonas son altamente permeables, con valores de Lugeon que alcanzan hasta 75 LU (equivalente a $7,5 \times 10^{-6}$ m/s). Aproximadamente el 66% de las pruebas en el abutamiento izquierdo y el 75% en el fondo del valle superaron 1 LU, lo que indica un potencial de filtración significativo.
- Abutamiento Derecho: Esta área muestra una menor permeabilidad, con el 76% de las pruebas por debajo de 1 LU.
- Permeabilidad del Suelo: Los suelos aluviales son generalmente impermeables ( $10^{-8}$ m/s), mientras que los suelos lateríticos son permeables ( $10^{-5}$ m/s).
Calidad de la Masa Rocosa: La calidad de la roca mejora con la profundidad. Las zonas superiores meteorizadas (0–5 m) se clasifican como "Pobres" (RMR 21–40) con valores de RQD de 25–50%. Por debajo de los 35 m, la roca transiciona a una calidad "Buena" (RMR 61–80) con valores de RQD de 90–100%, caracterizada por una ignimbrita fresca y masiva con valores de UCS de hasta 99,2 MPa.
Geología Estructural y Riesgos: Una falla mayor cruza el eje de la presa (N86°W), y se identificaron cuevas naturales en los suelos lateríticos del abutamiento derecho aguas abajo. Estas características plantean riesgos de erosión interna e inestabilidad de taludes.
Riesgo Sísmico: El sitio se encuentra en la Zona Sísmica IV (PGA 0,20g). Los datos geofísicos revelan un contraste de velocidad significativo entre la sobrecarga blanda ( $V_s < 1000$ m/s) y el lecho rocoso rígido ( $V_s > 3500$ m/s), lo que sugiere un potencial de amplificación del sitio de hasta 2,0. El análisis de licuefacción indica un Factor de Seguridad < 1,0 para los 5 m superiores.

Recomendaciones y Estrategias de Mitigación
Basándose en los hallazgos integrados, los autores proponen medidas correctivas específicas para garantizar la seguridad de la presa:

Excavación: Remoción de los 5–6 m superiores de los materiales altamente meteorizados del fondo del valle para alcanzar estratos de cimentación competentes.
Inyección (Grouting): Instalación de una cortina de inyección de 30 m de profundidad con 2–3 filas espaciadas de 1,5–2,0 m para sellar las zonas altamente fracturadas y permeables (particularmente en el fondo del valle y el abutamiento izquierdo).
Control de Filtración: Construcción de una manta impermeable aguas arriba que se extienda 30 m desde el pie de la presa para alargar el camino de filtración a través de las zonas permeables superficiales.
Tratamiento de Cuevas: Uso de inyección química (en lugar de cemento) para tratar las cuevas encontradas en los suelos lateríticos del abutamiento derecho.
Diseño Sísmico: Implementación de modificaciones de diseño sismo-resistente teniendo en cuenta la clasificación de Zona IV y los efectos de amplificación del sitio.

Significancia y Contribución
El artículo sostiene que proporciona la primera caracterización integral del sitio de la presa de Ajima, llenando un vacío crítico en las investigaciones de presas en Etiopía donde la evaluación geológica insuficiente ha provocado fallos históricamente. La principal contribución del estudio es la identificación de un "desajuste crítico entre carga y esfuerzo" en las capas superiores de la cimentación, un hallazgo que requiere una modificación inmediata del diseño. Además, el trabajo demuestra la eficacia de integrar datos geológicos, geofísicos y geotécnicos para mapear la heterogeneidad de la permeabilidad y los riesgos estructurales (fallas, cuevas) que las investigaciones de un solo método podrían pasar por alto. Las recomendaciones de diseño cuantitativas (profundidad de excavación, parámetros de la cortina de inyección) sirven como modelo para el tratamiento de cimentaciones en terrenos volcánicos similares dentro del Gran Valle del Rift de Etiopía, ofreciando un marco de mitigación de riesgos para futuros proyectos de infraestructura en la región.