La presa Shih-Kang se encuentra en Taiwán y el 21 de septiembre de 1999 sufrió importantes daños estructurales debido al terremoto Chi Chi de magnitud 7,6. La presa experimentó el colapso en las proximidades del estribo derecho debido a los movimientos relativos significativos que tuvieron lugar en el terreno.
Los datos y las imágenes que se presentan en este texto se han obtenido a partir de las referencias bibliográficas que se citan al final del artículo.
CARACTERÍSTICAS DE LA PRESA Y DE LA CERRADA
Se trata de una presa de gravedad de hormigón que regula el Río Tachia en su curso inferior para el abastecimiento del área de Taichung, mediante un aliviadero de 18 vanos equipados con compuertas radiales y con otros dos vanos en la margen izquierda para la gestión de los sedimentos. La presa dispone de un puente sobre el aliviadero y un cuenco amortiguador para la disipación de energía de los caudales desembalsados por el aliviadero.
La construcción de la presa finalizó en el año 1977. Tiene una altura de 25 metros y una longitud de coronación de 357 metros. La presa genera un embalse de 2,7 hm3 de capacidad para el abastecimiento de agua de la ciudad de Taichung.
En cuanto a la geología de la cerrada se distingue una capa superior de grava no consolidada, arenas, limos y arcillas y un estrato inferior rocoso de naturaleza sedimentaria con presencia de pizarra, lutita arenosa y arenisca limosa.
La presa se encuentra sobre un ramal de la falla de Chelungpu, el trazado de dicho ramal transcurre bajo los vanos 16, 17 y 18 del aliviadero en la margen derecha, siendo esta zona de la presa la que experimentó los mayores daños durante el evento sísmico de 1999. En las inmediaciones del estribo izquierdo de la presa se localiza otro ramal de la falla bajo el túnel de desvío que dirige el agua hacia las dos plantas de tratamiento.
Los ramales de la falla no habían sido cartografiados con detalle antes de ocurrir el terremoto. Según Dong, W., et al., 1999 el equipo de reconocimiento investigó aproximadamente la mitad de los 80 kilómetros de longitud de la falla de Chelungpu, que se extiende desde Shih-Kang en el norte hasta Tungtou en el sur.
EL SISMO
El terremoto Chi Chi de magnitud 7,6 tuvo lugar el 21 de septiembre de 1999. El emplazamiento de la presa Shih-Kang se encuentra a unos 50 km al norte del epicentro del terremoto. Las componentes de la aceleración pico registradas a unos pocos centenares de metros de la presa fueron: en horizontal 0,51g y en vertical 0.53g.
En la presa, la aceleración se amplificó desde la cimentación hasta la coronación.
QUÉ CONSECUENCIAS TUVO EL TERREMOTO EN LA PRESA
El modo de fallo terremoto desencadenó un tipo de fallo en la cimentación y otro tipo de fallo en el comportamiento estructural del cuerpo de la presa.
La presa sufrió daños estructurales importantes debido al movimiento del terreno inducido por el terremoto de Chi-Chi. La presa se movió en dirección noroeste, tanto en vertical como en horizontal. El movimiento ascensional experimentado por la roca del estribo derecho originó que la parte de la presa comprendida entre el aliviadero y el estribo colapsara, tal y como se muestra en la figura siguiente.
Tras el fallo de las compuertas se pudo llegar a verter un caudal máximo de desagüe de 200 m3/s, pero no de forma súbita. Las compuertas que experimentaron colapso y la estructura dañada obstruían parcialmente la salida del agua, lo que evitó que el caudal de salida fuese mayor. El caudal máximo vertido durante este evento fue inferior a los caudales máximos que pueden llegar a verterse durante la temporada del monzón. El agua permaneció dentro de su cauce y no se produjeron daños personales, ni daños materiales aguas abajo. El embalse se vació en aproximadamente 3 horas y el incremento de calado máximo en el río aguas abajo fue de 1 metro.
Las vigas del puente sufrieron desplazamientos respecto a los apoyos.
Durante el evento sísmico tuvo lugar la separación del cuerpo de presa respecto de la cimentación y se observó un aumento temporal en las filtraciones procedentes del cimiento.
Se observó que se originaron grietas horizontales en zonas altas de la presa y en zonas de la presa donde tienen lugar cambios significativos de rigidez. Por ejemplo, se produjeron agrietamientos en cajeros y en elementos con geometrías singulares.
Se informó que una de las dos compuertas de esclusa (margen izquierda) y 6 de las 18 compuertas radiales del aliviadero continuaban operativas tras el terremoto.
Excepto las compuertas de los tres vanos colapsados, las demás compuertas dañadas se pudieron reparar con unos costes razonables.
También se produjo la rotura de la tubería de abastecimiento desde el embalse hasta la planta de tratamiento de agua potable. El titular implementó un programa intensivo para la reparación de la citada tubería y para la reparación de los daños sufridos en el túnel.
DEFECTOS EN EL DISEÑO DE LA PRESA
La construcción de la presa se llevó a cabo sin el conocimiento de los ramales de la falla de Chelungpu. En la información que se proporcionó tras el evento sísmico se argumentaba que no se habían identificado ramales de falla en los cimientos de la presa durante la construcción en la década de 1970, y se consideró que era la primera vez que se producía un desplazamiento relativo en el tramo de falla que discurre bajo la presa.
La presa Shih-Kang se diseñó con el criterio tradicional de aceleración de un terremoto pseudoestático (Kung et al., 2001), es decir, no se tuvo en consideración el efecto de la componente vertical del movimiento. Además, sucedió que el valor de la aceleración horizontal pseudoestática empleado en proyecto fue menor que la aceleración horizontal máxima real originada por el terremoto de Chi-Chi, dando lugar a un fallo por deslizamiento.
EVALUACIÓN DE LA SEGURIDAD SÍSMICA MEDIANTE ANÁLISIS DINÁMICO Y AEM
La evaluación de la seguridad sísmica frente al desplazamiento en fallas en caso de sismo es un tema importante para la seguridad de las presas de hormigón, y el análisis dinámico permite estudiar el comportamiento discontinuo de las citadas presas de hormigón.
Con la finalidad de evaluar la interacción entre la presa Shih-Kang y la falla se empleó el método de análisis dinámico tridimensional para el sistema acoplado presa-junta-cimentación-embalse (Ariga, et.al.,2003), simulando el terremoto de Chi-chi de 1999 en dicha presa. El análisis tuvo en consideración que el trazado de la falla discurría bajo la zona dañada de la presa Shih-Kang.
Los resultados del análisis permitieron comprobar como los daños se produjeron debido al desplazamiento vertical relativo durante el terremoto.
Resultado del modelo mostrando el comportamiento del desplazamiento de la presa con una onda de aceleración en la dirección vertical. Fuente: Ariga, Y., 2008
Para este tipo de eventos sísmicos también es posible emplear el Applied Element Method (AEM) que mediante análisis numérico combina características del Método de Elementos Finitos (FEM) y del Método de Elementos Discretos (DEM). Por una parte, FEM permite el análisis del comportamiento hasta la separación de los elementos y, por otra parte, DEM permite el análisis mientras los elementos están separados, llegando hasta el colapso.
Resultados en el patrón de agrietamiento obtenido mediante AEM. Fuente: Institute of Industrial Science (University of Tokyo) & ICUS, 2001
CONCLUSIONES
En la actualidad no se dispone de suficiente experiencia del modo potencial de fallo asociado al sismo en presas de hormigón, por lo tanto, quedan pendientes lecciones por aprender en este campo. De hecho, son escasos los ejemplos de fallos en compuertas de aliviaderos debido a terremotos.
La presa Shih-Kang sufrió graves daños estructurales por el desplazamiento relativo que tuvo lugar en la falla de Chelungpu durante el terremoto de Chi-chi en Taiwán en 1999. La experiencia de la presa Shih-Kang confirmó que las presas de hormigón son vulnerables a los terremotos asociados a fallas importantes. La sacudida que tiene lugar en el suelo constituye el principal riesgo de los terremotos para las presas. Por lo tanto, no se debe dar por hecho que las presas de hormigón sean intrínsecamente seguras frente a los terremotos. Y en particular, para las presas existentes en explotación, hay que tener en consideración que, durante la vida útil de estas presas, es importante realizar evaluaciones de seguridad sísmica periódicamente en las citadas presas, en parte debido a los cambios en los criterios de diseño sísmico y en los conceptos de diseño.
En relación con las compuertas radiales, un criterio de diseño que considere tensiones admisibles menores supone compuertas radiales más pesadas y con mayor rigidez. Independientemente de las cargas empleadas para el diseño estructural frente al sismo, esta mayor rigidez en las compuertas puede explicar el hecho de sufrir menores daños durante los terremotos. No obstante, no se deben olvidar los polipastos, las estructuras anexas, etc. porque suelen ser más vulnerables a los sismos.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1) United States Society on Dams (USSD), 2017. Seismic analysis of concrete dams workshop
2) Bouquier, P. G. & Kashiwayanagi, M., 2016. Comparison Japan – France of mechanical design criteria for gates
3) Broberg, L. & Thorwid, M., 2015. Evaluation of failure modes for concrete dams
4) Jung, W. Y., et al., 2015. Seismic fragility of weir structures due to sliding effect
5) United States Society on Dams (USSD) Committee on Earthquakes, 2014. Observed performance of dams during earthquakes. Volume III
6) Wieland, M., 2014. Seismic design and performance criteria for large storage dams. Poyry Switzerland Ltd., Zurich, Switzerland
7) Ariga, Y., 2008. Fundamental study on 3-D analytical method for earthquake behavior of concrete dam against surface fault displacement
8) Institute of Industrial Science (University of Tokyo) & ICUS, 2001. Non-linear analysis of damage to the Shih-Kang Dam during 1999 Chi Chi earthquake
9) Charlwood, R. G., et al., 2000. A review of the performance of two large sub-stations and eight large dams during the Chi Chi Taiwan earthquake
10) Dong, W., et al., 1999. Event report Chi Chi, Taiwan earthquake.
