¿Esta presa es segura? Valores umbrales de las deformaciones y filtraciones

La mayor parte de las patologías de origen geotécnico (a excepción, quizá, de algunos casos concretos de erosión interna “súbita” en presas de materiales sueltos) tienen un reflejo evidente (durante un período de tiempo significativo y suficiente) en las filtraciones y/o las deformaciones de la presa. Otra cosa diferente es que el ingeniero sea capaz de detectarlo e interpretarlo correctamente…

Francisco Javier Sánchez Caro

Presa de Béznar en el río Izbor (Granada)

Presa de Béznar en Granada

1. INTRODUCCIÓN

Los elementos básicos que permiten realizar el análisis de la seguridad de una presa son: la auscultación (instrumentación y mediciones), las inspecciones (observaciones), la representación y la interpretación de las mediciones y de las observaciones, y finalmente la toma de decisiones para realizar las actuaciones de corrección necesarias, orientadas a garantizar el nivel de seguridad adecuado.

Análisis de la seguridad de una presa

Fases del análisis de la seguridad de una presa

La auscultación por instrumentación puede detectar ciertas anomalías, mientras que otras pueden ser detectadas únicamente por inspección visual.

A cada presa, ya sea de una u otra tipología, le ocurre como a las personas, es decir, que no hay dos iguales, y por lo tanto, cada una tiene sus particularidades que deben ser tenidas en consideración de manera adecuada. Además, las presas también cumplen años y por lo tanto son concebidas, nacen, maduran y envejecen. De esta manera se pueden definir cuatro periodos en la vida de la presa: construcción, primer llenado, explotación y envejecimiento.

En la Cuenca del Segura se construyeron presas de laminación a raíz del Plan de Defensa de 1987 frente a avenidas en las que todavía no se ha producido el primer llenado, ya que después de 25 años, no han ocurrido avenidas en esas subcuencas con unos volúmenes de hidrograma suficientes para llenar el vaso de los embalses.

Y los problemas pueden aparecer durante la construcción, durante el primer llenado, en los primeros años de vida de la obra o hacia el ocaso de la misma. Por lo tanto, la medición y la observación siempre deben estar presentes en estas obras.

2. MODOS DE FALLO

Para cualquier presa es fundamental diagnosticar adecuadamente cuál es el modo de fallo más desfavorable y evaluar correctamente cuáles son las acciones y resistencias asociadas.

Los modos de fallo consensuados por ICOLD (International Commission On Large Dams) se corresponden con los que se señalan a continuación:

1) Sobrevertido (Insuficiencia ante la solicitación hidrológica),

2) Inestabilidad de laderas en embalse (Insuficiencia de resistencia al corte),

3) Inestabilidad dinámica (Insuficiencia ante la solicitación sísmica),

4) Inestabilidad elástica (Insuficiencia estructural) o erosión interna del cuerpo de presa (Insuficiencia de estabilidad interna en cuerpo de presa),

5) Inestabilidad estática al deslizamiento o inestabilidad de taludes de presa (Insuficiencia de resistencia al corte), pudiendo afectar o no al cimiento,

6) Erosión interna del cimiento (Insuficiencia de estabilidad interna en general, incluyendo problemas asociados a solubilidad, sifonamiento, filtraciones, etc.)

Al analizar los modos de fallo se trata de dar respuesta a preguntas como las siguientes ¿Cómo puede fallar esta presa? ¿Qué causas provocarían su rotura?

El modo de fallo depende de la tipología de presa. Por ejemplo, en una presa bóveda el origen del modo de fallo puede venir del:

1) Cimiento: asientos y creación de fisuras, deslizamientos (por fallo del apoyo en la roca,…), socavación o erosión de la cimentación (por vertidos sobre coronación,…)

2) Cuerpo de presa: reacción del árido (silíceo) con los álcali del cemento (disminución de la resistencia a tracción del hormigón, mayor fisuración, etc.)

3) Embalse: deslizamientos de laderas (generación de olas y vertidos sobre coronación,…)

Un mal diseño o una mala construcción pueden desencadenar, por ejemplo, el pandeo por ejecutar la bóveda demasiado delgada, o fisuraciones intensas por no enfriar correctamente el hormigón o por aplicar presiones muy elevadas de inyección en las juntas de construcción.

3. ¿QUÉ SE ENTIENDE POR UNA PRESA SEGURA?

¿Qué condición se debe cumplir para que una presa sea segura? Pues que la probabilidad de fallo sea admisible. Y entonces, ¿qué sería lo ideal? Lo ideal sería que la presa contara con:

1) Un diseño correcto,

2) Una ejecución y construcción de calidad,

3) Un mantenimiento adecuado de todos sus elementos (hidromecánicos, accesos, instrumentación, galerías, aliviadero, etc.)

4) Auscultación completa y realización de inspecciones periódicas de la cimentación, del cuerpo de la presa y del embalse (laderas,…) con el correspondiente registro de datos, análisis e interpretación de las mediciones y de las observaciones.

5) Toma de decisiones (responsabilidad) y actuaciones de corrección necesarias en un plazo de tiempo acorde a la situación.

4. RECOMENDACIONES PARA EL SISTEMA DE AUSCULTACIÓN

Hay que tener en cuenta que el número de instrumentos a instalar en una presa es un problema técnico, pero también es un problema económico, ya que la adquisición de los instrumentos, la instalación, el mantenimiento y el trabajo de análisis de datos tienen un coste. Y el mantenimiento y la explotación es un coste mantenido en el tiempo, durante la vida útil de la presa, por lo que debe ser asumible y realista.

La experiencia recomienda:

1) Apostar por un sistema de auscultación sencillo, robusto y de fácil lectura y que abarque el cuerpo de presa, la cimentación y el embalse. Se trata de limitar el número de instrumentos a un valor razonable y de ubicarlos de manera que detecten anomalías posibles en el comportamiento de la presa.

Instrumentar una presa no consiste en colocar el mayor número de instrumentos posible, sino en diseñar un sistema lógico y útil de instrumentación.

Es mejor tener pocos instrumentos que sean de confianza y seguros que muchos inestables y con fallos frecuentes. Es preferible disponer de menos datos pero que sean de calidad y con interpretación, que disponer de muchos datos que no se interpretan y que son de calidad baja.

Además de representar gráficamente los datos, se debe realizar una interpretación de las mediciones en un tiempo prudencial.

2) Partir de unos criterios de selección de la instrumentación: instrumentos robustos poco sensibles a la temperatura, a la humedad, a las vibraciones, etc., instrumentos reemplazables y accesibles (no embebidos en el hormigón) para garantizar la operatividad, la lectura, la calibración y la continuidad de la serie histórica de los datos, instrumentos fáciles de interpretar y con las constantes visibles para convertir las magnitudes eléctricas a unidades físicas de ingeniería (mm de deformación, grados centígrados de temperatura, m.c.a. para la presión, litros por segundo para los caudales, etc.) e instrumentos estables.

Tener estos criterios claros desde el principio es clave, ya que al escuchar a los proveedores, cada uno defiende vender el mejor tipo de instrumento.

3) Combinar la auscultación instrumental con inspecciones cuidadosas. Las inspecciones visuales de la presa pueden detectar anomalías no detectables por la instrumentación (nuevas fisuras, nuevas filtraciones, etc.)

4) Hay que estudiar cada caso particular y tener en cuenta la necesidad de cierta redundancia en los puntos más importantes.

5) Se deben evitar las lecturas encadenadas. Por ejemplo, cuando el desplazamiento de la coronación se obtiene sumando lecturas de varios péndulos cortos, escalonados en la vertical, ya que los errores se van sumando y si falta una lectura, el resto de la cadena pierde el valor.

Las presas arco presentan una ventaja respecto a otros tipos de presa, ya que todos los puntos de la presa están conectados rígidamente entre sí, de manera que cualquier evento extraordinario se puede notar a distancia de su origen, lo que facilita su detección.

Sin embargo, esto no ocurre en una presa de materiales sueltos larga, donde por ejemplo, un problema de sifonamiento puede producirse en un sector de la obra sin que se note nada en otra zona de la presa. Entonces en presas de tierra largas no se deben concentrar los piezómetros en el núcleo en pocas secciones transversales, es decir, no se deben dejar tramos largos no instrumentados. Sería más eficiente subdividir la presa en tramos cortos y medir los caudales de filtración en cada tramo y así tener una auscultación real de toda la obra.

5. REPRESENTACIÓN GRÁFICA E INTERPRETACIÓN DE LOS VALORES MEDIDOS

La representación gráfica de los datos es el primer paso en la interpretación de los resultados de la auscultación. Y es necesaria, pero no es suficiente, ya que hay que continuar el seguimiento de los datos, el establecimiento de umbrales o tolerancias de cada variable y de cada presa en particular, la detección de anomalías (superación de umbrales, cambios de tendencia en las series de datos, etc.) el análisis, la interpretación, y finalmente, la toma de decisiones.

Un primer esquema de interpretación consiste en utilizar un método estadístico que compara los datos actuales con los datos históricos. Sin embargo, si existe un problema en la presa desde su construcción, no se va a detectar ya que el mismo comportamiento se reproduce cada vez que las condiciones externas son similares.

Un segundo esquema de interpretación lo ofrece el método determinístico cuya base consiste en establecer una comparativa entre el comportamiento real de la presa y el comportamiento previsto en proyecto.

El nivel de embalse influye en las deformaciones, en las subpresiones y en los caudales de filtración. Una representación de estas variables en función del nivel de embalse es útil e instructiva. Representar los datos medidos en función de la causa que los produce permite detectar anomalías o errores de lecturas, para la corrección de los mismos. Es interesante relacionar el caudal de filtración con el nivel de embalse (para cotas altas) y con la temperatura (para cotas bajas).

Otra herramienta de análisis e interpretación es el estudio de correlaciones entre varias variables medidas. Por ejemplo una correlación entre los desplazamientos radiales y tangenciales de un mismo punto en un péndulo, o una correlación entre las deformaciones de dos puntos de la presa (uno en cada margen) etc.

El método estadístico, el método determinístico y el establecimiento de correlaciones son complementarios.

Una interpretación rápida de los datos puede ser de mucha utilidad de cara al tiempo de reacción.

El disponer de una base de datos con los valores medidos es fundamental para entender la evolución del comportamiento de la presa a lo largo de su vida. Estos datos deben estar corregidos, es decir, sin errores. Y siempre conviene conservar los datos originales (o al menos la trazabilidad para llegar a ellos).

Los casos en los que existe un comportamiento anormal en la presa se suelen detectar después de un análisis fino de los datos de auscultación.

La interpretación de los datos de la auscultación debe contestar a las siguientes preguntas:

¿Sigue la presa comportándose como hizo hasta la fecha, es decir en los años pasados? ¿O bien pasa algo de nuevo? ¿La presa se comporta según proyecto? ¿Si hay discrepancias, a qué son debidas? (a errores de medición, a errores de transmisión de datos, a deriva lenta del instrumento, a casos de carga no esperados, a una evolución lenta de las características de los materiales, a cambios bruscos que pueden indicar un problema y la aparición de un peligro, etc.)

La contestación a la primera pregunta puede encontrarse realizando un estudio estadístico. Pero esto no es suficiente cuando se presentan por primera vez casos de carga nuevos como puede ser una crecida máxima con una cota de embalse que no se había producido hasta la fecha, o bien una combinación de cotas de embalse y de condiciones térmicas que hasta la fecha no se habían presentado, etc.

6. ESTABLECIMIENTO DE UMBRALES, LÍMITES DE ALERTA O FRANJAS DE TOLERANCIA

Resulta útil y práctico desarrollar para cada presa una metodología de establecimiento de umbrales basados en el análisis y control de las deformaciones, filtraciones, etc., obtenidas a partir de la auscultación de la presa, con la finalidad de discernir y evaluar si su comportamiento resulta adecuado, y para prevenir patologías que pudieran comprometer la seguridad de la presa.

Representación e interpretación de datos de auscultación

Representación gráfica e interpretación de las mediciones. Establecimiento de umbrales

Cuando una lectura rebase el correspondiente umbral se interpretará como que se trata de un valor no esperable. Este hecho puede deberse a múltiples factores: un fallo del instrumento de medida, una lectura errónea, una tolerancia no apropiada,… y puede no estar relacionado con una patología en el comportamiento de la presa. Lo que hay que investigar y averiguar es la causa que motivó el valor obtenido.

Uno de los objetivos del sistema de auscultación es disparar una alerta en caso de que se produzca una anomalía en la presa. Es importante establecer unos niveles de alerta. Estas alertas se dirigen a los responsables para que las verifiquen y tomen las decisiones que corresponda. Por lo tanto, es útil que el sistema de interpretación indique con unos umbrales, límites o tolerancias que es necesario y oportuno tomar medidas.

Se trata de definir una franja de tolerancia para cada variable correspondiente a un instrumento detector. Al sobrepasarla se puede disparar una señal de alerta.

En relación al ancho de las franjas de tolerancia o límites de alerta, éste depende de:

1) El valor normal o máximo de la variable considerada,

2) La precisión de las mediciones,

3) La calidad de los instrumentos,

4) La idoneidad del modelo de interpretación utilizado y de su precisión,

5) La naturaleza, cantidad y calidad de los datos históricos disponibles,

6) Si se trata de condiciones de carga ya experimentadas o todavía no,

Una buena práctica consiste en empezar con franjas relativamente anchas e ir estrechándolas según aumentan los datos registrados y conforme a la experiencia de operación de la presa.

No todos los instrumentos – aunque sean del mismo tipo – pueden tener la misma franja, debido a que las condiciones varían mucho de uno a otro. Por ejemplo, las deformaciones de una presa bóveda son más fáciles de modelizar en la parte baja que en la coronación. Este hecho es debido al efecto de la temperatura sobre la coronación de la bóveda.

7. CONCLUSIONES

Cada presa es única, tiene sus particularidades y hay que analizarla como tal, independientemente de su tipología. Es importante que cada presa disponga de un sistema de control y auscultación a medida, que permita conocer el funcionamiento y comportamiento de la misma. El sistema de auscultación debe ser sencillo, robusto y de fácil de lectura.

La frecuencia de lectura debe ser razonable y adaptada a las condiciones reales de riesgo. Hay que llevar el registro de datos de los instrumentos instalados para la auscultación de la presa de forma continuada, así como su representación e interpretación, con el objetivo de detectar posibles anomalías en el comportamiento y disponer de tiempo de reacción para la toma de decisiones.

Resulta útil y práctico desarrollar para cada presa una metodología de establecimiento de umbrales basados en el análisis y control de las deformaciones, filtraciones, etc., obtenidas a partir de la auscultación de la presa, con la finalidad de discernir y evaluar si su comportamiento resulta adecuado, y para prevenir patologías que pudieran comprometer la seguridad de la presa.

La auscultación hay que realizarla y complementarla con inspecciones periódicas. Realizar mediciones y observaciones de forma sistemática, e interpretaciones de la información periódicamente favorece el tener bajo control el comportamiento de la presa, y en caso de detectar anomalías, se dispondrá de información que ayudará a tomar decisiones y a adoptar las medidas necesarias para garantizar la seguridad.

Los datos de auscultación (mediciones) y de inspección (observaciones) requieren de representación y de interpretación (estadística, modelización, etc.) en un tiempo razonable y con criterio, todo ello orientado a la toma de decisiones y a la realización de las actuaciones adecuadas.

8. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1) Lombardi G. 1999. Auscultación y monitoreo de presas de fábrica. Conferencia 9.3.1999 – 5.20/102.1-R-117.

2) Lombardi G. 2001. Análisis e interpretación de los datos de auscultación. Ente Nacional de Energía Eléctrica. Honduras, El Cajón.

3) Sánchez Caro F. J. 2007. Incidentes en presas: la velocidad de deformación anelástica como criterio de seguridad. Revista de Obras Públicas/Marzo 2007/Nº 3.475.

4) Sánchez Caro F. J. 2007. Seguridad de Presas: Aportación al análisis y control de deformaciones como elemento de prevención de patologías de origen geotécnico. Tesis Doctoral (ETSICCP – UPM)