Los aliviaderos con escalones se han utilizado desde hace más de 3000 años y el concepto de “aliviadero escalonado” ya se utilizó a lo largo del siglo XIX.
Los escalones favorecen la disipación de energía de forma eficiente y la reaireación en la corriente. Además, en caso de que sea necesario emplear un cuenco amortiguador para la disipación de energía aguas abajo, los aliviaderos escalonados también permiten reducir las dimensiones del citado cuenco.
Una aplicación destacada de este concepto de aliviadero escalonado la constituye la presa de New Croton en Estados Unidos.
En este post se describen las características de la presa de New Croton, el episodio de avenidas de octubre de 1955 incluyendo los daños originados en el aliviadero, las causas que provocaron los citados daños y las lecciones aprendidas a raíz del incidente del año 1955.
Los datos y las imágenes empleadas en este post se han obtenido a partir de las referencias bibliográficas que se citan al final del artículo.
CARACTERÍSTICAS DE LA PRESA DE NEW CROTON
La presa de New Croton está ubicada 5 km aguas arriba de la desembocadura del río Croton en el río Hudson, y 5 km aguas abajo de la presa de Old Croton.
Su construcción se inició en el año 1892 y finalizó en el año 1907, tratándose de la presa más alta del mundo en ese momento.
Se trata de una presa de gravedad de mampostería, en el río Croton con una altura de 90 metros y una longitud de coronación de 660 metros.
El objetivo de la presa es el abastecimiento de la ciudad de Nueva York, estando operativa en la actualidad. El ingeniero Edward Wegmann participó en el diseño de la presa de New Croton.
El aliviadero lateral enlaza con la presa con un tramo en planta curva, se encuentra en la margen derecha y se diseñó con una geometría escalonada, es decir, con escalones de altura 2,13 m y longitud 1,6 m, para disipar la energía del flujo con un caudal de diseño de 1550 m3/s y dispone de un revestimiento de bloques de granito.
QUÉ SUCEDIÓ EN EL AÑO 1955
En octubre del año 1955, durante un episodio de avenidas, se produjo un vertido con un caudal máximo de 650 m3/s y el aliviadero sufrió graves daños.
El 14 y 15 de octubre de 1955, un gran huracán atravesó la región, aportando enormes cantidades de lluvia en el valle del río Croton, que ya se encontraba saturado.
El embalse de New Croton se encontraba lleno, incluyendo un resguardo adicional a partir de un sistema de tablones de madera que podían colocarse en las guías existentes de la estructura a lo largo del aliviadero.
La tormenta provocó una avenida extrema que llegó al embalse, con un caudal máximo de entrada de 1285 m3/s, de manera que el personal de explotación se sorprendió al ver que el agua fluía generando un vertido extraordinario a través del aliviadero. El embalse alcanzó un nivel histórico al que nunca se había llegado.
Cuando el personal de explotación accedió al interior de la estructura de mampostería sintió una asombrosa vibración que estaba teniendo lugar en la presa y en el aliviadero escalonado se escuchaba un ruido abrumador.
La presa sufrió agrietamientos en numerosos lugares del aliviadero y posteriormente se vació el embalse para llevar a cabo las reparaciones necesarias.
POR QUÉ TUVO LUGAR EL INCIDENTE EN EL ALIVIADERO
La presa de New Croton sufrió daños en relación con el diseño específico del aliviadero escalonado.
Chanson (1994) llamó la atención sobre el hecho de que en el aliviadero escalonado de la presa de New Croton el valor del caudal máximo vertido durante el episodio de avenidas de octubre de 1955 fue de 650 m3/s y ese valor resultó ser inferior al caudal de diseño del aliviadero que era de 1550 m3/s.
Es probable que los daños que tuvieron lugar en el aliviadero se debieran a fluctuaciones extremas de presión durante la fase de transición del flujo escalón a escalón al flujo rasante. En la figura siguiente se ilustra el flujo escalón a escalón y el flujo rasante sobre un aliviadero escalonado.
Durante la citada fase de transición la cavidad de aire bajo la corriente se llena periódicamente de agua y posteriormente se produce el vacío de aire. Esta inestabilidad puede causar grandes fluctuaciones de presión hidrodinámica en los escalones y una vibración considerable de la estructura.
Tras el incidente, se llevaron a cabo reparaciones importantes en el aliviadero de la presa de New Croton entre los años 1955 y 1957 (Marsh, 1957) y se eliminó la estructura existente sobre el aliviadero que había permitido un embalse adicional. En la imagen siguiente se puede observar la citada estructura.
LECCIONES APRENDIDAS
Las experiencias pasadas y los incidentes pueden utilizarse para mejorar los diseños actuales, ya que permiten mejorar el conocimiento sobre el comportamiento hidráulico de los aliviaderos escalonados.
En el caso de la presa de New Croton se cometieron un par de errores específicos directamente relacionados con el diseño del aliviadero escalonado.
El primer error está relacionado con las condiciones de flujo cercanas a la transición del flujo escalón a escalón hacia flujo rasante, con inestabilidades que causan grandes cargas hidrodinámicas fluctuantes en los escalones y vibraciones importantes en la estructura. En la presa de New Croton tuvo lugar este fenómeno. Por lo tanto, se deben evitar tales condiciones de transición y, en caso de no ser posible, se deben realizar ensayos hidráulicos y estructurales con la finalidad de garantizar un funcionamiento en condiciones de seguridad.
Para aliviaderos sin compuertas, como es el caso de la presa de New Croton, se recomienda seleccionar una geometría de escalón del aliviadero de manera que la fase de transición se produzca con valores pequeños de caudal.
El segundo error está relacionado con la calidad del acabado de la construcción. En el caso de flujo rasante en aliviaderos escalonados, el esfuerzo cortante promedio en el lecho puede llegar a ser mucho mayor con irregularidades superficiales, en relación con acabados superficiales suaves, para el mismo caudal y para la misma pendiente del lecho. En la presa de New Croton se observaron grandes grietas a lo largo del aliviadero (New Croton, Marsh 1957).
El mantenimiento es otro tema importante para una operación segura del aliviadero escalonado. Durante los episodios de avenidas pueden ocurrir daños y se deben realizar los trabajos de conservación y reparación necesarios. La experiencia ha demostrado que los aliviaderos escalonados se han comportado satisfactoriamente durante más de un siglo con un mantenimiento adecuado. La presa de New Croton constituye un ejemplo de realización de un mantenimiento adecuado.
Los aliviaderos escalonados requieren estándares de construcción y mantenimiento más exigentes que los aliviaderos no escalonados, porque los escalones están sujetos a mayores cargas hidrodinámicas y a daños más frecuentes.
A raíz de este incidente y de otros incidentes en presas con aliviaderos escalonados se ha profundizado en la investigación de la fase de transición del flujo escalón a escalón al flujo rasante.
Por lo tanto, para conseguir un correcto funcionamiento de un aliviadero escalonado es importante realizar un correcto diseño, un acabado constructivo adecuado y un buen mantenimiento, garantizando de esta manera una operación satisfactoria y segura.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1) Wegmann, E., (1908). The design and construction of dams.
2) Chanson, H., (1994) Hydraulics of skimming flows over stepped channels and spillways.
3) Chanson, H., (2000). “A Review of Accidents and Failures of Stepped Spillways and Weirs.” Proc. Instn Civ. Engrs Water and Maritime Engrg, UK, Vol. 142, Dec., pp. 177-188 (ISSN 0965-0946).
4) Tompkins, C. R., (2007). The long shadow of the Croton – Part 2.
5) NYC Environmental Protection (2017). Reconstruction of New Croton Dam, CRO 208B. Pre-Proposal Meeting.
6) Matos, J.; Novakoski, C.K.; Ferla, R.; Marques, M.G.; Dai Prá, M.; Canellas, A.V.B.; Teixeira, E.D., (2022). Extreme Pressures and Risk of Cavitation in Steeply Sloping Stepped Spillways of Large Dams. Water 2022, 14, 306. https://doi.org/10.3390/w14030306.
