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Reunión INCA - Salvador, Ba – BRASIL 2003 Presentación del Comité Argentino de Presas

Dr. Ing. Fabián Restelli

Frestelli@elchoconsa.com.ar

Resumen:

En el presente trabajo se comenta la organización de la seguridad de presas en la República Argentina en la actualidad, así como aspectos referidos a la auscultación y rehabilitación de presas.

Posteriormente, se describen las tareas de tratamiento de rehabilitación y monitoreo efectuadas en estri-bos y fundación de la Presa de El Chocón, como un caso típico en el que se efectuaron tareas remedia-les con excelentes resultados. Se realiza una descripción del proyecto, el seguimiento de las variables de auscultación que permitieron la detección de las anomalías, las tareas de investigación y diagnóstico del problema y el tratamiento realizado.

Finalmente, se describe el sistema de auscultación y monitoreo automático implementado para el segui-miento y control durante el desarrollo de las inyecciones de tratamiento. Para concluir se detallan las tareas y resultados del monitoreo permanente de las obras rehabilitadas. Organización de la Seguridad de Presas en Argentina En la República Argentina existe una cantidad estimada de 130 grandes presas, distribuidas de la siguiente manera:

41% materiales sueltos 30% gravedad 11% arco 9% escollera 9% contrafuerte

Clasificadas en función de sus usos, un 52% corresponde a multipropósitos, 19% a riego, 13% a generación, 7% a control de crecidas, 3% para navegación y un 6% a otros usos. Del total de 130 grandes presas, 2 son binacionales (Yacyretá y Salto Grande); 1 de relave (tailing dam) actualmente en construcción y es privada; solamente 31 grandes presas se en-cuentran reguladas bajo la supervisión del ORSEP (Organismo Regulador de Seguridad de Presas). El resto pertenece a jurisdicción provincial (en su mayoría son presas cabeceras de sistemas de riego, provisión de agua potable, contención de aluviones, generación de energía y otros usos, por lo que en estas últimas el nivel de seguridad es variable, ya que no se encuen-tran sometidas a controles. En Argentina existe una gran cantidad de pequeñas presas que actualmente no se encuentran registradas. Situación hasta el año 1992 Hasta el año 1992 se disponía de un esquema de explotación en el cual el Estado Nacional asumía todos los roles, es decir que era el encargado de:

administrar todas las etapas de diseño y construcción de obras, realizar la explotación de los emplazamientos, garantizar la Seguridad de Presas y, responsable del manejo de agua y el medio ambiente.

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Situación actual El esquema actual, a partir de la concesión de la operación de algunas grandes presas a partir de 1993 se establece un nuevo esquema en el que el Estado Nacional es el Propietario de las obras, mientras que las Empresas Concesionarias son responsables por:

el control permanente de las obras (Auscultación), la elaboración de Informes de Auscultación (mensuales y semestrales) que son re-

mitidos al ORSEP, el mantenimiento de la información inherente a la Seguridad de Presas, el mantenimiento y actualización de los Programas de Acción durante Emergencias

y, el sometimiento de las obras a la inspección y valuación de un Consultor Indepen-

diente. El ORSEP (Organismo Regulador de Seguridad de Presas) fue creado por decreto del poder ejecutivo en 1999. De esta manera, el Estado Nacional a través del Organismo Regulador, fis-caliza las actividades que se realizan en torno al mantenimiento y auscultación de las presas, estructuras complementarias y auxiliares. Los Contratos de Concesión establecen las reglas de juego entre el Organismo Regulador y las Empresas Concesionarias, y las obligaciones de es-tas últimas respecto de la Seguridad de Presas.

El ORSEP no tiene jurisdicción en la regulación de los aspectos medioambientales, ya que se-gún la Constitución Nacional Argentina, las provincias son las dueñas de los recursos naturales y tienen la autoridad para exigir el cumplimiento de las normas pertinentes. Los Organismos Reguladores en Argentina son:

ENRE: Ente Nacional Regulador de la Electricidad ORSEP: regulador de la Seguridad de Presas PROVINCIAS: reguladoras del Manejo del Agua y de los aspectos mediambienta-

les. Cuáles son los principales obstáculos para el desarrollo? 1. En primer término se menciona la carencia de legislación de mayor alcance, ya que la regu-

lación actual se limita al 30% de las grandes presas. En la Argentina no se dispone de una Ley Federal de Seguridad de Presas, aunque existen distintos proyectos presentados en el Congreso Nacional, ninguno ha llegado a tomar esta-do parlamentario.

2. Como falta un relevamiento completo de presas; se ignora el estado de un gran número de presas pequeñas y su real nivel de riesgo.

3. Salvo excepciones, las provincias carecen de Normativa específica de Seguridad de Presas y de adecuados equipos técnicos. Las provincias también presentan severas limitaciones de orden económico y en consecuencia, no realizan adecuados mantenimiento en sus obras. Al mismo tiempo, se hace difícil la concesión a operadores privados debido a su muy baja rentabilidad.

4. La participación de las obras hidráulicas en la política energética del país ha sido decrecien-te, situación que conspira contra el desarrollo de la Ingeniería de Presas y, por supuesto, contra la seguridad misma de las obras.

5. El nivel de conciencia del riesgo y la cultura de prevención de la sociedad es relativamente bajo, lo que dificulta la implementación de planes de emergencia aguas abajo de las pre-sas.

6. La falta de financiamiento constituye también un fuerte obstáculo para el desarrollo.

7. Por último, la explotación de otros recursos naturales para la generación de energía con menores costos financieros, limita las posibilidades de expansión del parque hidráulico.

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Cómo se estima la evolución de la Seguridad de Presas en Argentina? Lentamente la sociedad ha comenzado a tomar conciencia en la temática inherente a la Segu-ridad de Presas (favorecida por la acción formativa en escuelas, charlas técnicas, Audiencias Públicas, debates, etc.). Se estima que, en el corto plazo no habrá modificaciones en el marco jurídico actual. En el mediano plazo, probablemente se elaboren Convenios de Asesoramiento entre el Estado Nacional (a través de la jurisdicción del ORSEP) y las provincias, destinados a la difusión y aplicación de prácticas de Seguridad de Presas. Se prevé que, por la aplicación de dichos Convenios, podría producirse un fortalecimiento continuo de la Ingeniería de Presas, debido a la necesidad de implementar controles sistemáticos de auscultación, eventuales medidas co-rrectivas y prácticas operativas que requerirán la participación de una variada gama de profe-sionales y empresas, tanto consultoras como constructoras. En el largo plazo, se espera disponer de una Ley Federal de Seguridad de Presas que permita establecer un marco legal que fije los lineamientos para el seguimiento y evaluación del estado de las obras, a la vez de motivar la adhesión de los estados provinciales con el objeto de contar con un adecuado control de la Seguridad de Presas en todo el territorio. Caso de aplicación - Tareas remediales y resultado de la auscultación permanente en El Chocón Introducción

La presa de El Chocón está ubicada sobre el río Limay, en la región denominada Comahue, al norte de la Patagonia a unos 90 Km de la ciudad de Neuquén, en la República Argentina. La presa es un terraplén de grava con núcleo de arcilla (arcilla arenosa y arena arcillosa) y zo-nas de transición con filtros (arena graduada). Tiene una longitud de coronamiento de 2500 m y una altura máxima sobre la fundación de 87 m, en la sección del lecho del río, la cual abarca 900 m de longitud y constituye el paleocauce. La mayor parte de la longitud restante de la presa se ubica sobre la margen izquierda del río, donde la presa tiene una altura máxima de 40 m. En condiciones de máximo nivel de embalse, la obra genera un lago o reservorio de 20.600 Hm3, lo que constituye uno de los lagos artificiales más importante de Argentina.

La construcción de la presa comenzó en 1969 y finalizó en 1977, construida por el estado nacional a través de la empresa Hidronor S.A.

Desde agosto de 1993 la explotación fue cedida por el Estado Nacional, a través del sistema de concesión a Hidroeléctrica El Chocón S.A. (HECSA).

El estribo derecho es más alto y en él se encuentra ubicado el vertedero, con capacidad de descarga de 8.000 m3/s.

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El núcleo, ubicado centralmente, está fundado en la roca e inclinado hacia aguas abajo en la mayor parte de su altura. La cortina de impermeabilización original, fue conformada con inyec-ciones de cemento a través de perforaciones en la roca, extendiéndose por debajo del núcleo a lo largo de la presa, con perforaciones primarias de 25 m de profundidad y secundarias de 15 m separadas cada 10 m.

Según las zonas de la presa la cortina de inyección se encuentra inclinada respecto la vertical o en su mismo plano.

Un sistema de pozos de alivio se ubica contiguo al núcleo del lado de aguas abajo, desde el estribo derecho hasta aproximadamente la progresiva 2000.

Al pie de presa y en todo el ancho del valle profundo, se ubica un dren de filtro grueso como medida adicional para el control de migración de finos.

El Chocón - Sección transversal tipo

La obra cuenta con un Sistema Automático de adquisición de datos (SADA). Este sistema fue implementado en 1993 y sirvió para el monitoreo de las tareas de tratamiento y actualmente, en la etapa de operación plena para el control de las principales variables de auscultación de la presa y su fundación.

Las razones para automatizar la toma de datos de auscultación en esta presa respondieron a lo siguiente:

• Reducción del tiempo entre la medición e interpretación de resultados de auscultación. • Constituye una señal de alarma automática, si se exceden los valores límites previa-

mente establecidos. • Permite la toma continua de datos a largo plazo con frecuencia requerida. • Permite el acceso directo de las lecturas a través de una base de datos y su rápido

posprocesamiento. • Disminuye los errores propios de la toma y procesamiento de datos. • Permite realizar lecturas frecuentes sin costos adicionales para investigar una zona en

particular.

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Para su cometido, el SADA dispone de 10 estaciones remotas (distribuidas estratégicamente en diferentes lugares de la obra) y 1 estación maestra (computadora central) encargada de interrogar secuencialmente a las estaciones remotas con el objeto de obtener y procesar la información (clasificación, tratamiento, almacenamiento y control de auscultación).

SADA - Distribución de estaciones remotas en El Chocón Las prestaciones del SADA consisten en la telemedición de unos 135 piezómetros huidráulicos, 7 aforadores totalizadores, 7 piezómetros de tipo Casagrande, nivel de embalse y nivel de resti-tución. El sistema cuenta con la posibilidad de almacenamien-to de las mediciones cada 10 minutos en archivos mó-viles con horizonte de 90 días y el aviso, mediante in-terfaz impresa y gráfica de alarmas temporales cuando las mediciones de los instrumentos se encuentran fuera de la denominada "banda de normalidad". Dicha banda se determina mediante una aproximación estadística de correlaciones múltiples de 11 términos que representan los dos tipos de fenómenos a los que se encuentran sometidas las estructuras: a) reversibles (estacionalidad y carga hidráulica) b) irreversibles (temporalidad)

SADA - Estación Remota 6

Descripción de las tareas de detección, investigación y diagnóstico

La instrumentación realizada durante la construcción de la presa fue implementada en 5 sec-ciones: dos secciones en el valle del río, una cercana a la margen derecha, una adyacente a la margen izquierda y otra ubicada detrás de la central en la terraza de margen izquierda.

Básicamente se trata de piezómetros hidráulicos instalados en el núcleo, en el contacto núcleo-apoyo de roca, debajo de los espaldones y en la roca poco profunda de la fundación. En las áreas de apoyo y debajo del espaldón de aguas abajo en el pie de presa se dispusieron piezó-metros tipo Casagrande. También se dispone de aforadores totalizadores de caudal.

El comportamiento registrado de la presa y su fundación no causó ninguna preocupación parti-cular en los primeros diez años de operación, pero en noviembre de 1982 se detectaron eleva-dos niveles piezométricos en el contacto del núcleo con el estribo derecho.

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En este gráfico se observa el continuo incre-mento temporal de niveles piezométricos del piezómetro H79, instalado en el contacto en el sector aguas abajo.

A partir de entonces comenzó un intenso programa de estudios e investigaciones para deter-minar las causas de estas anomalías.

Se realizó una revisión completa de toda la información relativa al diseño, construcción y as-pectos geotécnicos y un análisis de niveles piezométricos y caudales de filtración a fin de clari-ficar la importancia y consecuencias.

Las condiciones anormales detectadas son el resultado de una combinación de factores concu-rrentes de distinto origen que incluyen algunos rasgos naturales y varios aspectos particulares del diseño y construcción. Los aspectos más notorios son los siguientes:

a) Aspectos naturales

Areniscas débiles con estratificación subhorizontal, con presencia de discontinuidades abiertas por relajación de tensiones en paredes y fondo del valle.

Presencia de discontinuidades horizontales y subverticales rellenas con materiales so-lubles, especialmente yeso.

El agua del río, químicamente limpia, posee alta capacidad potencial de disolución de sales.

b) Aspectos de Diseño

Taludes de excavación a sendos costados de la nariz de roca de taludes diseñados 2V:1H y finalmente excavados con pendiente 4V:1H. Este rasgo es difícilmente realiza-ble en rocas débiles, sin provocar la apertura de grietas y cambios substanciales en la configuración geométrica de los apoyos.

Adopción de una trinchera en el apoyo derecho del núcleo de la presa con caras orto-gonales difíciles de conformar en rocas débiles, concepto también aplicable a la trinche-ra del fondo del valle

Ausencia de material de filtro en el apoyo derecho del núcleo de la roca. Este rasgo ne-gativo resulta tanto más importante atendiendo a la capacidad potencial dispersiva del núcleo y la naturaleza química del agua del embalse.

Adopción de núcleo relativamente delgado, con varios cambios de pendiente, incluyen-do un sector vertical superior, que incrementa la posibilidad de efectos locales de arco, fundamentalmente en el apoyo con la trinchera en la roca del apoyo derecho.

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c) aspectos constructivos Las tareas de voladura para conformar los apoyos de difícil geometría reactivaron

las discontinuidades y grietas existentes, fundamentalmente en el apoyo derecho. El tratamiento de impermeabilización de las fundaciones mediante una línea única

de inyecciones no fue adaptado a las evidencias geológicas relevadas durante las tareas de excavación.

El uso de criterios de inyección basados en las tomas de las mezclas que, en gene-ral, eran magras e inestables, no resultaron adecuados a la naturaleza geológica del sitio.

Las consecuencias principales de estos factores desfavorables de acuerdo a las evidencias relevadas fueron:

a) efecto local de arco y subsecuente agrietamiento del núcleo en la interfase roca-núcleo del estribo derecho

b) erosión interna del núcleo en la margen derecha Descripción de las tareas de tratamiento

A partir de lo anterior, se decidió inyectar las diaclasas a fin de tratar la roca de los estribos y la fundación, para lo cual fue necesario construir un pique en margen derecha (110 m de profun-didad), 3 niveles de galerías excavadas sobre margen derecha, galerías en fundación del valle central y margen izquierda. Para las tareas de tratamiento, la obra se dividió dividiendo la obra en distintos sectores:

Sector Denominación 1 Margen izquierda - Meseta detrás de la central hidroeléctrica 2 Margen derecha hasta progresiva 680 - Pique y galerías 3 Valle central, entre progresivas 680 y 1390 4 Margen izquierda, valle entre progresivas 1390 y 1500

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Las tareas de tratamiento consistieron en realizar inyecciones de lechada de cemento aplican-do el Método GIN (G. Lombardi/D. Deere) compuesto por tres pantallas de perforaciones incli-nadas desde una galería excavada al efecto -bajo la fundación- que permitió tratar la base del núcleo (Líneas B y C) y el talud de la roca de la trinchera, en el talón aguas abajo del núcleo (Líneas A1 y A2), el cual se encuentra desprovisto de filtro.

El Chocón - Tratamiento de la fundación

Se realizó el tratamiento completo de la fundación de la presa y un refuerzo en la zona del ta-lón de aguas abajo del apoyo de la presa en los sectores cercanos a los estribos.

Aguas abajo de las cortinas de inyecciones se configuró un dren que sirve además como con-trol de arrastre de materiales finos y se encuentran vinculados en un sistema denominado de compensación, generando una carga hidráulica adecuada a la totalidad de la fundación de la presa.

La respuesta de la instrumentación de auscultación permitió corroborar un frente de bloqueo de diaclasas francas. Pudo detectarse una redistribución del flujo a lo largo del tiempo, habilitán-dose nuevas vías secundarias de circulación. De esta manera, se auscultaron incrementos y reducciones de presiones de poros, requiriendo normalmente un tiempo prolongado para su estabilización.

Desde el inicio del tratamiento, las tareas de auscultación permanente permitieron observar que los piezómetros ubicados aguas abajo de las líneas de inyección, registraban una impor-tante reducción de niveles piezométricos (presiones de poro), lo que puso de manifiesto la pre-sencia de diaclasas y vías de circulación con baja pérdida de carga e importante desarrollo. También pudo comprobarse una correlación directa entre los efectos drenantes de las perfora-ciones (durante la ejecución) y el bloqueo sucesivo de las diaclasas correspondiente a las to-mas registradas. Las tareas de tratamiento también incluyeron la instalación de nuevos piezómetros (Bishop), a fin de reemplazar algunos que se encontraban fuera de servicio y generar nuevas secciones de control (fundamentalmente en la fundación del valle central de la presa).

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Evaluación de la respuesta presentada por la instrumentación La respuesta de la instrumentación a lo largo de las distintas etapas involucradas por las tareas de tratamiento, permitieron identificar y clasificar los siguientes tipos de respuestas:

comportamiento de la fundación de la presa durante las tareas de construc-ción de la galería,

respuesta de filtraciones a cielo abierto en el estribo derecho, respuesta de la fundación en general durante las tareas de tratamiento y, respuesta del núcleo.

a) Comportamiento de la fundación de la presa durante las tareas de construcción de la galería

En la zona del tratamiento, la excavación y conformación de la galería (25 metros por de bajo del contacto roca núcleo en la roca de fundación) provocó un fuerte drenaje. Así, la galería de tratamiento se transformó en un dren de importantes dimensiones. El drenaje se puso de mani-fiesto en la respuesta de un grupo de piezómetros Casagrande e hidráulicos ubicados básica-mente en la roca de fundación, bajo el espaldón aguas abajo a lo largo de todo el valle.

El descenso de niveles piezométricos se evidenció especialmente en los instrumentos ubicados en cotas inferiores a 285 msnm: piezómetros tipo Casagrande C154, C79-C152 y de manera mucho más pronunciada en C164, que se encuentra instalado en cotas similares a las de la galería de tratamiento y que logró estabilizarse en niveles piezométricos cercanos al nivel de restitución.

CI: cota de instalación del instrumento expresada en metros sobre nivel del mar CR: cota de referencia desde donde se introduce la sonda de medición

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b) Respuesta de filtraciones a cielo abierto en el estribo derecho Durante la conformación de las cortinas de inyección y drenaje en la roca del estribo derecho pudieron registrarse importantes reducciones en la filtración Filt-12 (ubicada a cielo abierto, al pie del talud de aguas abajo). Lo anterior se puso de manifiesto en 1993 a pesar de que los niveles del embalse se encontraban en aumento, como puede apreciarse en la siguiente figura:

c) Respuesta de la fundación durante las tareas de tratamiento

Se realizó el tratamiento completo del sector 3 y un refuerzo en la zona del talón de aguas aba-jo del apoyo de la presa en los sectores 2 y 4. El análisis de la respuesta se comentará por sectores.

Las respuestas manifestadas por la instrumentación se deben a las siguientes acciones:

1. Drenaje de la roca durante el proceso de perforación. 2. Fuerte aumento de presión durante el proceso inyección, en general de rápida disipa-

ción. 3. Relleno de diaclasas y el bloqueo de vías de filtraciones. 4. Aparición de nuevas vías de filtración.

Esta combinación de efectos (sobrepuestos en algunos casos) provocaron en los instrumentos alteraciones desordenadas, mostrando 1 y 2 efectos transitorios, mientras que 3 y 4 son de carácter permanente.

En muchos casos, frente al bloqueo de diaclasas francas, se produjo con el tiempo una redis-tribución del flujo, habilitándose nuevas vías secundarias de circulación. De esta manera, se auscultaron incrementos y reducciones de presiones de poros, requiriendo normalmente un tiempo prolongado para su estabilización.

Por ejemplo en el Sector 4, la respuesta de la instrumentación frente a las tareas de tratamien-to se produjeron importantes reducciones de niveles piezométricos, con independencia de las variaciones posteriores de niveles de embalse. A modo de ejemplo, se muestra la respuesta de los piezómetros tipo Casagrande C158 - C159 y el piezómetro Hidráulico H31.

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El Chocón - Piezómetros Casagrande C158 y C159

El Chocón - Piezómetro hidráulico H31

En los piezómetros instalados entre los niveles 286 y 295, por ejemplo C158 y H31, donde el tratamiento mostró la presencia de diaclasas de tipo regional con importantes tomas (absor-ciones), la respuesta a las distintas etapas de perforación e inyección es marcada.

El piezómetro Casagrande C159 (instalado por debajo del nivel de la galería) descendió sua-vemente. Esta situación pudo deberse a que las distintas fases del tratamiento fueron obturan-do sucesivamente las distintas vías de alimentación.

El piezómetro hidráulico H32 (ubicado por sobre la galería y entre las líneas A2 y B) mostró fuertes golpes de presión en correspondencia directa con las presiones de inyección. Una vez finalizadas las tareas de tratamiento estas sobrepresiones se disiparon rápidamente como se observa en la siguiente figura. El SADA fue una herramienta importante para el seguimiento de las tareas de tratamiento.

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El Chocón - SADA

Desde el inicio del tratamiento, los piezómetros ubicados aguas abajo de las líneas de inyec-ción, mostraron una reducción de niveles piezométricos, lo que puso de manifiesto la presencia de diaclasas y vías de circulación con baja pérdida de carga y gran desarrollo.

Por otro lado, pudo comprobarse una correlación directa entre los efectos drenantes de las per-foraciones (durante la ejecución) y el bloqueo sucesivo de las diaclasas correspondiente a las tomas registradas.

d) Respuesta del núcleo a las tareas de tratamiento

En coincidencia con la sección instrumentada de la presa (que se encuentra vinculada al SA-DA), se detectó la presencia de una importante diaclasa en la roca de fundación, mientras que el estado del núcleo resultó de consistencia blanda, con características dispersivas.

En los registros del SADA se detectaron descensos en los piezómetros ubicados en el núcleo a 5 metros sobre el contacto roca-núcleo. Estos cambios, tienen una vinculación directa con el fuerte drenaje que sobre la zona se produjo cuando las perforaciones para inyección, intercep-taron diaclasas conectadas al núcleo.

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Conclusiones

Las técnicas de auscultación implementadas en la presa de El Chocón constituyeron un ins-trumento trascendental para la detección a edad temprana de anomalías, lo que resalta el ca-rácter preventivo de las mismas y la importancia de su mantenimiento a lo largo de la vida útil de la obra. A través del desarrollo de las tareas de tratamiento se ha logrado un fuerte descenso de las presiones de poros por debajo de los estratos arcilíticos que conforman la fundación de la pre-sa. De esta manera, se han mejorado notablemente las condiciones de estabilidad aguas abajo de la misma, ya que se selló la roca de fundación en contacto con el núcleo de arcilla. El estado actual de las obras, que fueron sometidas en octubre del año 2000 a una Auditoría de Consultor Independiente (tal lo establecido el Contrato de Concesión de Hidroeléctrica El Chocón S.A.), es muy bueno. En general, se registra un buen comportamiento en ambos estri-bos y de la fundación, con importantes reducciones de niveles piezométricos en el pie de la presa y bajos caudales específicos en la galería de tratamiento de la fundación.

REFERENCIAS: VARDÉ, OSCAR - "Presa El Chocón. Aspectos geológicos-geotécnicos vinculados al tratamiento de las fundaciones". Asociación Argentina de Geología Aplicada a la Ingeniería - Vol IX 12-42 - Buenos Aires 1995.

RESTELLI, FABIÁN - "El Chocón Dam - Control of erosion the impervious clay core in the con-tact rock" - ICOLD Q73 - Theme 3 - Florence - Italy, 1997.