Un gran número de aliviaderos de presas actualmente operativos se diseñaron y construyeron hace más de 50 años. El conocimiento de las acciones y vulnerabilidades asociadas con la operación de los aliviaderos ha aumentado significativamente con el paso de los años. De hecho, las características y los detalles de diseño utilizados antiguamente se han revisado con la finalidad de mejorar la resistencia a las acciones a que son sometidos y de reducir la probabilidad de que un modo potencial de fallo pueda desarrollarse por completo.
Los datos y las imágenes que se emplean en este post se han obtenido a partir del artículo:
Western Dam Engineering. Technical Note. Volume 6. Issue 1. April 2018
DETALLES DE DISEÑO EMPLEADOS EN CANALES DE DESCARGA DE ALIVIADEROS
Los diseños actuales de canales de descarga en aliviaderos suelen incluir:
- Perfiles flexibles (waterstop) empleados en el sellado estanco de diferentes tipos de juntas (de dilatación, de trabajo…), con capacidad para resistir elevadas presiones intersticiales. Los perfiles flexibles, a diferencia de los rígidos, se adaptan bien al movimiento diferencial entre las juntas.
- Sistema de drenaje del canal del aliviadero. Es importante disponer de un drenaje adecuado bajo la losa y en el trasdós de los cajeros del canal del aliviadero. Es necesario realizar inspecciones durante y después de los eventos de vertido del aliviadero con la finalidad de identificar si se ha iniciado la erosión del cimiento de la losa o del trasdós de los muros, y de averiguar si los drenajes aún están operativos y resultan ser eficaces. Si el canal del aliviadero de la presa no dispone de drenaje, la existencia de filtraciones a través de las juntas de la losa y de los cajeros podrían indicar una vulnerabilidad de la estructura a las subpresiones, siendo recomendable un estudio de la estabilidad general del aliviadero y de la probabilidad de iniciación de un modo potencial de fallo con varios escenarios de carga.
- Filtros para evitar la migración de material del terreno del cimiento existente bajo la losa del canal del aliviadero.
- Detalles de las juntas para disminuir significativamente la probabilidad de iniciar un modo potencial de fallo. Los detalles efectivos de las juntas permiten el control de las filtraciones que llegan al cimiento y el control de los movimientos diferenciales de las losas, y de manera análoga ocurre en los muros del canal de descarga del aliviadero.
- Espesor y armadura de la losa. El espesor y el armado superior e inferior de la losa es fundamental para resistir las subpresiones y para evitar el agrietamiento.
- Anclajes del cimiento. En las barras de anclaje la sección, el espaciado y la longitud de anclaje y empotramiento deben ser los adecuados para proporcionar la resistencia necesaria frente a las subpresiones, para evitar el levantamiento de las losas respecto a los cimientos y los posibles deslizamientos. Es importante confirmar que en los anclajes al cimiento se desarrollan las fuerzas de adherencia necesarias.
- Disposición de estructuras transversales o rastrillos bajo la losa del canal de descarga del aliviadero para proteger la estructura frente a la erosión remontante.
EL ALIVIADERO DE LA PRESA HAVANA STREET
La presa Havana Street tiene como función principal la laminación de avenidas. Se trata de una presa de materiales sueltos. Dispone de un conducto de desagüe de fondo de 750 mm de diámetro y de un aliviadero de labio fijo sin compuertas de 17 metros de longitud. El canal de descarga se encuentra revestido con escollera. Antes del incidente en el aliviadero, la presa tenía una capacidad de almacenamiento de 0,5 hm3 y una profundidad media de 4,5 metros.
El 12 de septiembre de 2013 tuvo lugar un episodio importante de precipitación que afectó a gran parte de la región de las Montañas Rocosas de Colorado. El aliviadero de la presa Havana Street comenzó a verter caudal y el flujo inició la erosión en una zona localizada bajo el revestimiento de escollera, y la erosión se propagó hacia aguas arriba hasta llegar a la sección de control del aliviadero, donde comenzó la socavación del cimiento de la estructura, provocando el colapso de la sección de control de hormigón del aliviadero y la formación de una brecha.
El aliviadero estuvo operativo durante 5 horas antes de que se formara la brecha. Los testigos que presenciaron el episodio indicaron que el fallo en el aliviadero duró aproximadamente 45 minutos, desde el inicio de la erosión en el canal revestido con escollera hasta el colapso de la sección de control de hormigón del aliviadero.
Los ingenieros de seguridad de presas de Colorado realizaron una evaluación integral de la presa y del aliviadero con la finalidad de determinar la causa del fallo. Se concluyó que el episodio de avenida no excedió la capacidad de diseño del aliviadero de la presa Havana Street, sin embargo, la protección frente a la erosión en el canal de descarga del aliviadero y las medidas de diseño para la defensa frente a la erosión interna fueron insuficientes para resistir la energía del flujo vertido por el aliviadero durante el evento.
La estructura del aliviadero se cimentó sobre un terreno erosionable y no se dispusieron filtros adecuados entre el revestimiento de escollera
y el terreno de cimentación para evitar la migración de partículas. Tampoco se dispusieron estructuras transversales o rastrillos bajo el revestimiento del canal de descarga del aliviadero para proteger la estructura frente a la erosión remontante.
EL ALIVIADERO DE LA PRESA GOOSE PASTURE TARN
La presa se construyó en el año 1964 constituyendo la principal fuente para el abastecimiento de la ciudad de Breckenridge en Colorado. Se trata de una presa de materiales sueltos de 15 metros de altura. Dispone de un aliviadero de servicio de hormigón sin compuertas y de un aliviadero de emergencia ejecutado con hormigón compactado con rodillo. El aliviadero principal de servicio tiene una longitud de 46 metros.
En el año 2004 se observaron filtraciones que emanaban de las juntas de la losa del canal de descarga del aliviadero, lo que llevó a una investigación mediante la extracción de testigos que permitió descubrir varias zonas con huecos en el terreno de cimentación bajo la losa. Tras las investigaciones realizadas empezó a preocupar que las filtraciones estuviesen erosionando el material del cimiento y que el aumento de las subpresiones pudiese llegar a ocasionar levantamientos en la losa. Por esta razón, en el año 2006 se llevaron a cabo una serie de actuaciones y de reparaciones, que incluyeron la instalación de anclajes para resistir las subpresiones, una campaña de inyecciones con lechada para rellenar los huecos existentes bajo la losa y la ejecución de una nueva capa de hormigón para acomodar la losa y facilitar la instalación de los nuevos anclajes.
En el año 2015, a través de la monitorización de los sondeos en la presa se registraron niveles freáticos crecientes en una zona bajo la losa del canal de descarga del aliviadero, con el consiguiente aumento de las subpresiones bajo la losa. Como resultado de estas nuevas observaciones, se realizó una nueva evaluación integral del aliviadero en el año 2016, que permitió averiguar que muchas de las reparaciones realizadas en el año 2006 habían fallado, debido a las continuas filtraciones y a la formación de hielo bajo la losa del aliviadero, favoreciendo el levantamiento de la misma. Llegaron incluso a colapsar varios anclajes, tuvo lugar el desprendimiento de la nueva capa de hormigón que se ejecutó en el año 2006 y también se formaron nuevas oquedades en el terreno de la cimentación bajo la losas del aliviadero a pesar de las inyecciones que se llevaron a cabo durante las actuaciones del año 2006.
El titular de la presa y el ingeniero de explotación se pusieron en contacto con el Departamento de Seguridad de Presas de la División de Recursos Hídricos del Estado de Colorado con la finalidad de analizar los nuevos hallazgos e investigar más a fondo la causa. En abril de 2016, los ingenieros del Departamento de Seguridad de Presas de Colorado llevaron a cabo un análisis de riesgos evaluando la situación de la presa de Goose Pasture Tarn y los impactos de las opciones de reparación provisionales, estableciendo un nuevo nivel operativo del embalse en condiciones de seguridad hasta que se llevaran a cabo las reparaciones permanentes necesarias en el aliviadero de la presa.
Tras los resultados del análisis de riesgos se consideró que el deshielo en la cuenca vertiente podría originar una avenida de hasta 5 semanas de duración lo que suponía un periodo largo de vertido de caudales importante por el aliviadero de la presa. Esos posibles vertidos, junto con las grietas y deformaciones existentes en la superficie del canal de descarga del aliviadero, la existencia de un sistema de drenaje insuficiente y la ausencia de filtros en el cimiento, probablemente darían como resultado el aumento de las subpresiones bajo la losa del canal de descarga y la erosión del material del cimiento que podría desencadenar un proceso de erosión remontante.
La incapacidad para controlar los flujos reduciría la probabilidad de una intervención exitosa, siendo probable el fallo del aliviadero y el colapso de la presa. Por lo tanto, el análisis de riesgos concluyó que era necesario rebajar el nivel máximo normal del embalse 1,2 metros por debajo del umbral del aliviadero de servicio, para garantizar que la gama completa de avenidas históricas que habían tenido lugar se podrían gestionar sin necesidad de recurrir al empleo del aliviadero de servicio. Además, el nuevo nivel máximo normal garantizaba el suministro a los usuarios, reduciendo significativamente la probabilidad de inicio de un modo potencial de fallo a un nivel aceptable.
CONCLUSIONES
Si se hubieran realizado evaluaciones integrales antes del episodio descrito del 12 de septiembre de 2013 en la presa Havana Street, se habrían detectado las insuficiencias identificadas, se podría haber intervenido con antelación y se podría haber evitado el inicio y el desarrollo de este modo potencial de fallo asociado a la erosión interna en el canal de descarga del aliviadero de la presa.
Se recomienda a los titulares de pequeñas presas que se coordinen con los funcionarios del organismo estatal de seguridad de presas cada vez que surjan posibilidades que indiquen el inicio o el desarrollo de un modo potencial de fallo. El Departamento de Seguridad de Presas de la División de Recursos Hídricos del Estado de Colorado ha desarrollado herramientas integrales para la evaluación de seguridad de presas, con la finalidad de ayudar a los titulares en la evaluación de sus estructuras y determinar si se puede desarrollar un modo potencial de fallo.
