La Presa Hoover supuso un desafío de diseño y construcción. Los grandes costes asociados a la construcción requirieron una cuidadosa atención al diseño preliminar y la realización de ensayos en modelo reducido, en laboratorio hidráulico, antes de poder finalizar el diseño y comenzar la construcción.
La presa Hoover implicó un cambio en el concepto original de aliviadero utilizado hasta el momento pasando a dos aliviaderos laterales en túnel para conseguir un caudal máximo de vertido de 11300 m3/s. Para el vertido de grandes caudales en episodios de avenidas, los aliviaderos laterales en túnel tenían menor coste económico en relación con los aliviaderos convencionales con canal de descarga en superficie y cuenco amortiguador.
Sin embargo, en el invierno de 1941, cuando el aliviadero en túnel de la margen izquierda o aliviadero de Arizona funcionó durante 116 días, se detectó la vulnerabilidad del revestimiento de hormigón al daño causado por el flujo de alta velocidad en el túnel. De hecho, el primer daño importante por cavitación conocido en un aliviadero en túnel ocurrió en la Presa Hoover.
En este post se presenta un caso relevante de cavitación en el aliviadero de la presa Hoover describiendo las instalaciones, los daños sufridos y las reparaciones llevadas a cabo.
Los datos y las imágenes empleadas se han obtenido a partir de las referencias bibliográficas que se citan al final del artículo.
DESCRIPCIÓN DE LA PRESA HOOVER
La presa Hoover se encuentra en el río Colorado a unos 58 km de Las Vegas, Nevada. La finalidad del embalse es la laminación de avenidas, el abastecimiento para riego y la generación de energía hidroeléctrica.
La presa es de arco gravedad de hormigón, de 221 m de altura con una longitud de coronación de 373 m. El embalse original tenía una capacidad de almacenamiento de 40000 hm3.
La construcción de la presa se inició en 1930 y se terminó de construir en 1936, año en el que entró en operación.
La central hidroeléctrica dispone de 14 turbinas hidráulicas con una potencia total de 1.345 MW para un caudal máximo turbinado de 1.269 m3/s.
Fuente: Building the Hoover Dam (YouTube)
La presa dispone de dos aliviaderos laterales en túnel, un aliviadero en la margen izquierda (Arizona) y otro en la margen derecha (Nevada). Los túneles de los aliviaderos disponen de un primer tramo inclinado, un codo y un tramo final sensiblemente horizontal que acaba en una cubeta deflectora o trampolín. La capacidad máxima total de vertido por ambos aliviaderos es de 11.300 m3/s.
QUÉ SUCEDIÓ
Los daños por cavitación se produjeron ya en 1941, cuando se pusieron en funcionamiento los aliviaderos en túnel de la presa Hoover, recién terminados.
El túnel del aliviadero de Arizona (margen izquierda) de la presa Hoover estuvo vertiendo durante 116 días en el invierno de 1941. Al finalizar el episodio de avenidas, el aliviadero de Arizona había sufrido graves daños, pero el aliviadero de Nevada prácticamente no sufrió daños.
Los túneles de los aliviaderos entraron en funcionamiento por primera vez en el invierno de 1941. El aliviadero de Arizona estuvo vertiendo con un caudal medio de 366 m3/s y con un caudal máximo de 1076 m3/s; mientras que el aliviadero de Nevada sólo funcionó durante algo menos de un día, con un caudal medio de 227 m3/s y un caudal máximo de 407 m3/s (Keener, 1943).
La figura siguiente muestra el daño en el aliviadero de Arizona materializado en un gran agujero de 35 m de largo, 9 m de ancho y 14 m de profundidad. El revestimiento del túnel experimentó daños y el terreno expuesto sufrió erosión.
Se consideró que el daño fue desencadenado por una falta de alineamiento en la solera del túnel (Warnock, 1945), es decir, el origen de los daños por cavitación se atribuyó a una desalineación en el codo del túnel.
También se determinó que la profundidad del socavón estuvo influenciada por la existencia de una falla que atravesaba oblicuamente el túnel del aliviadero de Arizona.
Se estimaron valores de presiones intersticiales de 0,895 MPa, es decir, en el entorno de 9 kg/cm2 (Walter, 1957).
En 1983, ambos aliviaderos vertieron durante varios días con caudales máximos de 285 m3/s. Durante el episodio de avenidas del año 1983 sólo se produjeron pequeños daños en el túnel de Arizona. Sin embargo, en el túnel de Nevada los daños fueron más severos.
ENSAYOS EN MODELO REDUCIDO
Los dispositivos de aireación para la presa Hoover se estudiaron en un modelo reducido del túnel de Arizona en el año 1984. El flujo inestable de la estructura de entrada del canal lateral y el flujo en el túnel con grandes caudales dieron lugar a cambios en los diseños de los dispositivos de aireación en relación con los que se habían empleado anteriormente (Houston , et al., 1985).
Los aireadores diseñados a partir de los estudios en modelo reducido se instalaron en los túneles de los aliviaderos de la presa Hoover durante 1985 y 1986.
Con uno de los modelos a escala 1:60 se estudiaron varios dispositivos para introducir aire entre el flujo de alta velocidad y el revestimiento de hormigón del túnel (Bradley 1945).
Se utilizaron un total de ocho modelos para el diseño hidráulico de la presa Hoover con escalas de modelo de 1:20 (2), 1:60 (3), 1:64, 1:100 y 1:106.
Se realizó un estudio sobre la superficie erosionada en el túnel del aliviadero de la margen izquierda (lado de Arizona) de la Presa Hoover. Se estudiaron dos casos, uno en un área con acabado superficial suave en las proximidades del final del codo del túnel y otro en una zona rugosa unos 300 metros aguas abajo del codo. Los valores del coeficiente de rugosidad cambian significativamente según el caso de que se trate. Este ejemplo pone de manifiesto la dificultad para la estimación de las características de cavitación de una superficie de rugosidad variable. En la imagen siguiente se muestra un ejemplo de rugosidad en la superficie de una zona del túnel del aliviadero.
El inicio de la cavitación depende de la magnitud y duración de las fluctuaciones de presión negativa. No obstante, las fluctuaciones de presión no son gaussianas, aunque las fluctuaciones turbulentas sí que tengan un comportamiento gaussiano. Además, la parte de alta frecuencia del espectro de presión originada por el flujo sobre un contorno rugoso no escala de la misma manera que sobre una superficie lisa. Por lo tanto, en aquel entonces ya se consideró que el comportamiento de los vórtices debido a la turbulencia sobre contornos suaves y sobre contornos rugosos precisaba de más investigación.
El diseño de las salidas de los desagües de fondo de la presa Hoover también constituyeron un desafío. Por cada margen descargan seis válvulas de 1830 mm de diámetro con alturas de presión de 171 m, con una capacidad de desagüe de 623 m3/s por cada margen.
Los estudios del modelo de laboratorio incluyeron pruebas a escalas de 1:106, 1:60 y 1:20 para asegurar la validez del diseño contra cualquier efecto de escala.
La configuración final seleccionada tras los estudios de laboratorio representó una clara mejora con respecto a las propuestas de diseño originales.
TRABAJOS DE REPARACIÓN Y ADECUACIÓN LLEVADOS A CABO
El túnel de Arizona se reparó mediante actuaciones de relleno y compactación de zahorra y posteriormente con la ejecución de una gruesa capa de hormigón. Se puso especial cuidado en el adecuado acabado de la superficie del hormigón con la finalidad de conseguir una superficie suave y resistente.
Dado que se produjeron daños en ambos túneles durante el episodio de avenidas del año 1983, incluso disponiendo de superficies excepcionalmente lisas, se diseñaron e instalaron dispositivos de aireación para cada aliviadero (Houston et al, 1985) tal y como se muestra en la figura siguiente.
El sistema constaba de rampa y umbral en la solera para conseguir que el flujo se separe de la superficie del hormigón generando una presión inferior a la atmosférica bajo el agua para succionar el aire hacia el espacio creado, incorporando una cantidad suficiente de aire en el flujo aguas arriba del codo del túnel.
Cada aireador está ubicado a unos 78 m aguas abajo de la entrada al túnel. La instalación de ambos aireadores se completó en junio de 1987.
La macrorugosidad de la solera, aguas abajo del codo del túnel del aliviadero de Nevada en la Presa Hoover, no se reparó cuando se instaló el aireador. No obstante, se eliminaron las demás irregularidades aisladas en el revestimiento del túnel (Falvey, 1990). Es decir, con la instalación del aireador en 1987, se tomó la decisión de dejar sin reparar la superficie erosionada aguas abajo del codo de los túneles de los aliviaderos de la presa Hoover. Se trataba de superficies macrorrugosas con tamaños importantes de cantos rodados en el hormigón (la altura de la irregularidad para el tamaño del percentil 90 era igual a 9 mm).
Con respecto al índice de cavitación, los valores obtenidos en los aliviaderos de Yellowtail y Glen Canyon eran los más bajos, tal y como se muestra en la tabla siguiente. Por lo tanto, en ambos aliviaderos se prestó especial atención a las tolerancias de la superficie aguas arriba del aireador. En el resto de casos, incluyendo el caso de la presa Hoover, las tolerancias de construcción requeridas se relajaron debido a los valores más altos del índice de cavitación, lo que supuso un ahorro econónico considerable.
CONCLUSIONES
El daño por cavitación ha sido un problema en los túneles de los aliviaderos desde 1941, cuando se descubrió un daño por erosión significativo en la Presa Hoover, aunque también se habían documentado daños por cavitación en estructuras hidráulicas ya desde 1910 (Warnock, 1945).
Tras las investigaciones llevadas a cabo, se concluyó que el daño se inició por deficiencias en el acabado de las superficies del hormigón y por una falta de alineación en el túnel del aliviadero de la presa Hoover.
Después de lo ocurrido en el túnel del aliviadero de la presa Hoover se llevaron a cabo una serie de investigaciones sobre la influencia de las irregularidades superficiales del hormigón y la falta de alineación en los túneles de los aliviaderos con flujos de alta velocidad, lo que supuso la aplicación de tolerancias de diseño más estrictas en relación con el acabado de las superficies de hormigón.
Los estudios e investigaciones llevadas a cabo permitieron desarrollar una metodología de diseño para identificar cuándo es necesario disponer aireadores en canales de descarga o en túneles de aliviaderos en presas de gran altura.
Los ensayos en modelo reducido en laboratorios de hidráulica han jugado un papel esencial en el diseño de estructuras hidráulicas en todo el mundo, respaldando la confianza y la seguridad de la construcción y explotación de las citadas infraestructuras, especialmente cuando se trata de diseños singulares o innovadores.
Los túneles de los aliviaderos de las presas Glen Canyon, Hoover, Yellowtail, Flaming Gorge y Blue Mesa han sido reacondicionados con rampas de aireación.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1) Wahl, Tony L., et al., (2019) SpillwayPro — Tools for Analysis of Spillway Cavitation and Design of Chute Aerators. A Supplement to Engineering Monograph 42 – Cavitation in Chutes and Spillways. Bureau of Reclamation, Denver, Colorado.
2) US Army Corps of Engineers (2017) Cavitation Damage.
3) Jahani, M. (2011) Cavitation effects on stability, economic life and performance of hydraulic structures.
4) Burgi, P. H. (1996) Impact of Reclamation’s Hydraulic Laboratory on Water Development.
5) Falvey, Henry T. (1990) Cavitation in Chutes and Spillways. Engineering Monograph No. 42. Bureau of Reclamation, Denver, Colorado.
6) Albertson, M. L. & Kia, R. A. (1989) Design of Hydraulic Structures. Bureau of Reclamation.
7) Pugh, C. A. & Rhone T. J. (1988) Cavitation in Bureau of Reclamation Tunnel Spillways.
8) Bradley, J. N. (1945) Study of Air Injection into the Flow in the Hoover Dam Spillway Tunnels, Bureau of Reclamation, HYD-186.
