La mañana del 14 de marzo de 2019 la presa Spencer en el río Niobrara, situada al norte de Nebraska (Estados Unidos), colapsó durante una gran avenida que tuvo lugar en el citado río.
El informe “Spencer Dam Failure Investigation Report, 2020” realizado por la “Association of State Dam Safety Officials (ASDSO)” (en adelante informe ASDSO, 2020) aporta conocimiento sobre las causas del colapso de la presa y establece las lecciones aprendidas al respecto.
El organismo regulador estatal de la seguridad de las presas es el Departamento de Recursos Naturales de Nebraska y el titular de la presa es el Distrito de Energía Pública de Nebraska. Ambos organismos cooperaron activamente facilitando información para las labores de investigación que se llevaron a cabo tras la avenida de marzo de 2019, supervisaron el informe citado, pero no realizaron cambios a las recomendaciones y conclusiones establecidas por la ASDSO.
La documentación de partida, suministrada al panel de expertos que llevó a cabo la investigación, reflejaba que la presa estaba siendo correctamente mantenida.
LOCALIZACIÓN Y DESCRIPCIÓN DE LA PRESA
La presa Spencer se sitúa sobre el Río Niobrara, afluente del Río Misuri por la margen derecha, al sureste de la población de Spencer, en Nebraska, tal y como se muestra en la imagen siguiente.
En la figura siguiente se destacan las dos aportaciones al embalse, el dique de materiales sueltos, el aliviadero de hormigón y la autopista 281 situada aguas abajo de la presa.
La presa se construyó en 1927 con la finalidad de producción de energía hidroeléctrica.
La presa dispone de una estructura de hormigón, que incluye el aliviadero, con una longitud de 122 metros y también dispone de un dique de materiales sueltos que tiene una longitud de 975 metros y una altura máxima de 8 metros.
El aliviadero dispone de cuatro vanos en la margen izquierda, en las proximidades de la central hidroeléctrica, con una compuerta tipo Taintor en cada vano, tal y como se muestra en la figura siguiente. La longitud de cada vano es de 10,2 metros.
El aliviadero también dispone de otros cinco vanos adicionales, con una ataguía en cada vano constituida por perfiles metálicos verticales y tablones de madera, tal y como se muestra en la figura siguiente. La longitud de cada vano es de 10,2 metros.
INCIDENTES Y FALLOS HISTÓRICOS DE LA PRESA
El hielo ya estuvo involucrado en el fallo de la presa Spencer que tuvo lugar el 24 de septiembre de 1936. En este caso, la cota de embalse alcanzada originó una subpresión en el contacto presa cimiento que provocó el deslizamiento de la totalidad del aliviadero. El aliviadero se reconstruyó en el año 1940 con tratamientos en la cimentación y anclajes para prevenir futuros deslizamientos.
A finales de marzo de 1960 se produjo una avenida con transporte de bloques de hielo que originó erosión en el espaldón de aguas arriba del dique de materiales sueltos. Se envió personal para la reparación del dique evitando el colapso de la presa. Se produjeron daños en el dique a lo largo de una longitud de 152 metros, en una compuerta Taintor y en la estructura de hormigón del aliviadero.
Posteriormente, a mediados de marzo de 1966 el personal de explotación de la presa Spencer se percató de la ocurrencia de una avenida con transporte de bloques de hielo porque se produjo una obstrucción a causa del hielo en el puente de la autopista 11 aguas arriba de la presa. De esta forma, se anticiparon y vaciaron el embalse para minorar los potenciales daños que se pudieran producir. No obstante, la compuerta Taintor número 4 fue destruida y se produjeron daños en la estructura del aliviadero, en la central hidroeléctrica y en el dique de materiales sueltos. Durante esta avenida se perdió documentación importante de la presa que se encontraba archivada en el edificio de la central hidroeléctrica.
¿QUÉ OCURRIÓ EL 14 DE MARZO DE 2019?
Las condiciones meteorológicas adversas (tormenta, etc.) originaron una avenida y una rotura de la capa de hielo existente en el río. Conforme pasaba el tiempo la temperatura descendía y hacía más viento.
Durante la tarde del 13 de marzo de 2019, el personal de explotación abrió las cuatro compuertas Taintor del aliviadero al máximo (apertura de 1,80 metros). Más tarde trataron de abrir compuertas en otros vanos para aumentar el caudal de desagüe, pero en la mayoría de los vanos no fue posible debido a la presencia de bloques de hielo.
Alrededor de la medianoche, una gran capa de hielo bajó por el río Niobrara, originando el colapso del puente Stuart-Naper y produciendo daños en el puente de la Autopista 11. Ambos puentes situados aguas arriba de la presa Spencer.
Se produjeron obstrucciones por el hielo aguas arriba de la presa con embalsamientos de agua. Al romperse las obstrucciones el caudal de la avenida transportó una gran cantidad de bloques de hielo hacia la presa.
Probablemente los bloques de hielo obstruyeron los vanos del aliviadero de la presa que se encontraban con las compuertas abiertas, produciéndose el aumento del nivel de embalse hasta alcanzar la coronación del dique de materiales sueltos.
Algunos bloques de hielo vertieron sobre el dique de materiales sueltos y otros bloques de hielo produjeron empuje sobre el muro de aguas arriba de la central hidroeléctrica.
El caudal sobrevertido por el dique de materiales sueltos provocó erosión en el espaldón de aguas abajo. La erosión originó surcos crecientes en el citado espaldón, dando lugar a dos brechas en dos zonas del dique. La primera brecha ocurrió a las 5:15 horas del 14 de marzo de 2019. Las brechas dieron lugar a una gran avenida de agua, sedimentos y bloques de hielo hacia aguas abajo.
La avenida originó el colapso de la presa, la destrucción de una casa y de otras construcciones situadas aguas abajo, así como el fallecimiento de una persona.
El terraplén de la autopista 281, situada inmediatamente aguas abajo de la presa Spencer, provocó un nuevo efecto presa. También se produjo la rotura del terraplén de la citada autopista y la onda de la avenida, incluyendo bloques de hielo, se dirigió hacia aguas abajo. De tal manera que algunos puentes aguas abajo colapsaron y otros sufrieron daños.
El panel de expertos concluyó, tras llevar a cabo una modelización hidráulica, que el colapso de la presa intensificó la avenida varios kilómetros aguas abajo, pero sin llegar a afectar al pueblo de Niobrara. Los factores que influyeron en esta conclusión fueron: el pequeño volumen de embalse de la presa de Spencer, los puentes y las condiciones de contorno que originaron las obstrucciones del hielo, la laminación de la avenida en los llanos de inundación durante la propagación hacia aguas abajo, etc.
La avenida de agua y de bloques de hielo superó la capacidad del aliviadero de la presa, en opinión del panel de expertos, sin margen de maniobra para el personal de explotación de la presa, dada la magnitud de la avenida.
El panel de expertos opinó que, si la presa no hubiese existido las estructuras, situadas inmediatamente aguas abajo, no habrían estado a salvo durante la avenida, y el puente de la autopista, otras construcciones y la casa probablemente habrían sido destruidas con la llegada de la onda de avenida. E incluso, si se hubiese realizado una adecuación de la presa antes de la ocurrencia del evento para permitir el paso de la avenida (sin obstrucciones en el aliviadero…), el terraplén de la autopista de aguas abajo, probablemente, también habría producido el efecto presa, inundando y dañando la casa, antes de que tuviese lugar el colapso del citado terraplén.
¿QUÉ FACTORES HUMANOS INFLUYERON EN EL COLAPSO DE LA PRESA?
El panel de expertos identificó un par de factores humanos que contribuyeron al colapso de la presa y a las consecuencias que tuvieron lugar.
El primer factor humano consiste en la falta de conocimiento asociada a los modos potenciales de fallo relacionados con el transporte de grandes bloques de hielo durante las avenidas. Concretamente el organismo regulador estatal y el titular de la presa no tenían conocimiento que la presa Spencer ya había sufrido fallo y daños anteriormente, por eventos similares al acaecido en marzo de 2019.
La ASDSO dispone de una base de datos que contiene 380 eventos de fallos en presas. Y no se dispone de ningún caso de fallo en una presa relacionado con el transporte de grandes bloques de hielo durante las avenidas. El Programa Nacional de Comportamiento de Presas si que tiene inventariado un caso de fallo en una presa por este tipo de avenidas, en concreto una avenida que tuvo lugar en 1976. Por lo tanto, el sector de la seguridad de presas no dispone de suficiente conocimiento de como estas avenidas pueden influir en la seguridad de las presas en regiones frías como Nebraska, de tal manera que, ni las mejores prácticas que se llevan a cabo en las presas actuales, incluyen la evaluación del impacto de este tipo de avenidas en la estabilidad de las presas.
El hielo ya estuvo involucrado en el fallo de la presa Spencer en 1936. Y tanto en 1960, como en 1966 las compuertas de la presa y la central hidroeléctrica también sufrieron daños por el hielo. Y estos incidentes no aparecen identificados con el hielo en la base de datos de la ASDSO. La presa consta como adecuadamente mantenida, pero no se prepara para este tipo de eventos. Se debe abordar el comportamiento de la presa en avenidas con grandes bloques de hielo en los informes de inspección de la presa.
El segundo factor humano se debe, según el panel de expertos, a la subestimación del riesgo de inundación aguas abajo en caso de fallo en la presa. El panel de expertos considera que la clasificación del riesgo potencial de inundación aguas abajo debe corresponderse con el nivel “alto”, siendo el nivel establecido en el momento de ocurrencia del evento de avenida “significativo”. Con este nivel “significativo” no se requiere Plan de Emergencia de Presa, sin embargo, con el nivel “alto” sí que es necesario el Plan de Emergencia y probablemente el requerimiento de adecuar la presa para aumentar la capacidad del aliviadero para realizar la gestión de las avenidas en mejores condiciones de seguridad.
LECCIONES APRENDIDAS
Los ingenieros que trabajan en seguridad de presas, en regiones con climas fríos, deben evaluar si los ríos son susceptibles de presentar avenidas con transporte de grandes bloques de hielo. En cuyo caso, las presas se deberían adecuar para ser gestionadas sin incidentes durante este tipo de avenidas. En estos casos, los sistemas de alerta temprana constituyen una medida que permite la reducción del riesgo de incidentes.
Se necesita realizar más investigación sobre la dinámica de ríos en regiones de clima frío, es decir, sobre la ocurrencia de avenidas con transporte de grandes bloques de hielo, frecuencia de ocurrencia, propagación, impactos en las presas, etc. Así como el correcto diseño, mantenimiento y explotación de las presas para gestionar de forma adecuada este tipo de eventos.
Las inspecciones deben incluir la revisión de documentación y registros que sean críticos para la seguridad de las presas. Y también se deben adaptar las listas de chequeo de las inspecciones al modo potencial de fallo relacionado con el transporte de grandes bloques de hielo durante las avenidas, para conocer la vulnerabilidad de las presas ante este tipo de eventos.
Los titulares de las presas deben disponer de un conjunto de registros completos y organizados con todos los eventos e incidentes que han ocurrido en las citadas presas, a lo largo de toda su historia.
Los reguladores de la seguridad de las presas deben evaluar y revisar periódicamente la clasificación del riesgo potencial de inundación aguas abajo, las Normas de Explotación incluyendo la gestión de este tipo de avenidas y la necesidad de elaboración e implantación de Planes de Emergencia.
Finalmente, el panel de expertos agradeció especialmente a “History Nebraska” sus investigaciones realizadas sobre la prensa local, ya que fueron esenciales para documentar la ocurrencia de las avenidas en el río que transportan bloques de hielo y su impacto en la presa Spencer en el pasado.
