La presa de St. Francis colapsó durante los días 12 y 13 de marzo del año 1928, muriendo al menos 432 personas, considerándose la peor catástrofe del siglo XX en el ámbito de la ingeniería civil estadounidense.
Las imágenes y los datos empleados en este post se han obtenido a partir del siguiente documento:
Rogers J. (Karl F. Hasselmann Chair in Geological Engineering. Missouri University of Science & Technology) 2013. The St. Francis dam failure. Worst American civil engineering disaster of the 20th Century. Shlemon Specialty Conference Dam Foundations Failures and Incidents. Denver, Colorado May 16-17, 2013 (en adelante Rogers J., 2013).
CONSTRUCCIÓN DE LA PRESA ST. FRANCIS
La presa de St. Francis era una presa arco gravedad de hormigón de 62,50 metros de altura, construida por la ciudad de Los Ángeles entre los años 1924 y 1926. Se trataba de la primera presa de hormigón que se construía para la ciudad. Antes de 1923, todas las presas construidas para el abastecimiento de la ciudad eran presas de materiales sueltos.
De los nueve embalses construidos o ampliados entre los años 1920 y 1926, St. Francis fue el más grande.
La construcción de la presa St. Francis comenzó en julio de 1924 con la ejecución de una ataguía de 2,5 metros de altura en la zona de aguas arriba. La imagen siguiente, además de la ataguía, también muestra la ubicación del desagüe número 1 y los dos escalones existentes aguas abajo de la zona de descarga.
No se dispusieron juntas de contracción durante la ejecución del muro de hormigón que conformaba la ataguía de la presa.
La excavación de los estribos se realizó entre 1924 y 1925. La excavación del estribo izquierdo alcanzó una profundidad comprendida entre 1,8 metros y 4,5 metros, mientras que en el estribo derecho se alcanzó una profundidad media de excavación de tan solo 1,2 metros.
El paramento de aguas abajo de la presa era escalonado. El hecho de que el ancho de cada escalón dependiese de la cota, variando entre 1,7 metros a la cota 501 m y 0,45 metros a la cota 553 m, fue objeto de análisis durante las evaluaciones forenses posteriores.
El aliviadero de la presa disponía de 11 vanos de 6 metros de ancho cada vano.
El desagüe de fondo estaba constituido por 5 tubos de 750 mm de diámetro con una capacidad máxima de desagüe a embalse lleno de 33,5 m3/s.
QUÉ SUCEDIÓ
El miércoles 7 de marzo de 1928 el embalse alcanzó la cota máxima de lámina con 7,5 centímetros por encima del umbral del aliviadero. El domingo 11 de marzo de 1928 todos los depósitos de la ciudad estaban llenos.
El encargado de la presa Tony Harnischfeger llamó al ingeniero jefe Mulholland en la mañana del lunes 12 de 1928 para informar de una filtración de “agua sucia” en la zona del estribo derecho. Durante esa mañana, alrededor del mediodía, se produjeron pequeños vertidos sobre el aliviadero debido al oleaje del embalse generado por el viento.
La familia Ray Silvey conducía por la carretera de San Francisquito y pasó por la presa alrededor de las 20:30 horas del 12 de marzo de 1928. Tras avanzar unos 30 metros más allá del estribo izquierdo de la presa, se vieron obligados a detenerse ante un escalón de 30 centímetros de alto que atravesaba la carretera en el esquisto de Pelona.
En la imagen siguiente correspondiente al día después de la rotura se aprecia una hendidura bajo la presa, en el estribo derecho.
La presa colapsó a las 23:57 horas del lunes 12 de marzo de 1928. El encargado de la presa, su esposa y su hijo de 6 años que vivían aguas abajo se convirtieron en las primeras víctimas de la inundación. Las siguientes víctimas fueron los trabajadores y sus familias que vivían en la central hidroeléctrica número 2, situada a unos 2,2 kilómetros aguas abajo de la presa.
El calado máximo alcanzado aguas abajo fue de 42,5 metros, llenando todo el Cañón de San Francisquito. De hecho, a un kilómetro y medio aguas abajo, las aguas llegaron a verter por un collado natural que se encontraba a 36,5 metros sobre el lecho del cauce. La velocidad media del agua en este tramo del cauce fue de 8 m/s. Se estimó un caudal máximo a la salida de la presa de 48.000 m3/s, transportando grandes bloques de hormigón de 10.000 toneladas de peso centenares de metros río abajo.
La avenida llegó al océano Pacífico a las 5:30 h del martes 13 de marzo de 1928 tras arrasar puentes de carreteras, de ferrocarril, inundar una subestación, un campamento, etc.
En la imagen siguiente se muestra una vista de la zona de la presa la mañana siguiente al colapso, en la que se observa un importante deslizamiento de ladera en el estribo izquierdo de la presa, cortando la carretera del Cañón de San Francisquito y que también afectó a la caída de los postes de la línea eléctrica de 70 kilovoltios.
El Gobernador C. C. Young nombró un panel de 6 expertos para investigar el colapso de la presa St. Francis: A. J. Wiley (Consulting Engineer, Idaho), D. Louderback (Professor of Geology, University of California), F. L. Ransome (Professor of Economic Geology, California Institute of Technology), F. E. Bonner (District Engineer, U. S. Forest Service), H. T. Cory (Consulting Engineer, Los Angeles, California) y F. H. Fowler (Consulting Engineer, San Francisco, California).
Se realizó una sola visita de campo el martes 20 de marzo de 1928 y se les facilitó la información recopilada sobre la presa, que estaba disponible.
A los geólogos les llamó la atención el contacto entre el esquisto de Sierra Pelona (color gris) y la formación rocosa o conglomerado yesífero del Parque Natural Vasquez (color rojo), a lo largo de la antigua falla de San Francisquito. El panel de expertos sospechó que a lo largo de la falla podría haber tenido lugar erosión interna, con meteorización del conglomerado Vasquez en presencia de agua.
Durante la búsqueda de los grandes fragmentos de hormigón en que había quedado dividida la presa tras el colapso, desplazados hacia aguas abajo, se identificaron un total de 11 fragmentos. El panel de expertos decidió centrarse en el análisis del fragmento número 16.
La parte de la presa comprendida entre los fragmentos 2/3/4 y 5/6/7 (que se muestra en amarillo en la imagen siguiente) no se identificó en campo hasta varios meses más tarde. Se le denominó la “sección perdida”.
CAUSAS QUE PROVOCARON EL COLAPSO DE LA PRESA ST. FRANCIS
La Comisión emitió su informe concluyendo que el conglomerado del Parque Natural Vasquez, de color rojo, que subyacía bajo el estribo derecho de la presa no era adecuado para la cimentación, y que el fallo comenzó en esa zona, a lo largo de la antigua falla de San Francisquito.
Se descubrió también una inconsistencia en la sección transversal de la presa a la cota 503 m, de tal manera que la base tenía 46 metros de anchura realmente construidos en lugar de los 54 metros que se mostraban en la sección de proyecto del año 1924. En esta sección de proyecto del año 1924 también se mostraba un talud más tendido en el paramento de aguas arriba para cotas inferiores a la 501 m, en relación con el talud realmente construido.
En mayo de 1923 la presa fue concebida para una altura de 55 metros, pero se decidió elevar la altura de la presa 3 metros más en julio de 1924, poco después de que comenzara la construcción. Y en julio de 1925, se decidió elevar la presa otros 3 metros de altura. Estos cambios supusieron incrementar la altura de la presa en un 11%, sin aumentar el ancho de la base, reduciendo el factor de seguridad frente al vuelco.
La grieta localizada en el pie, aguas arriba de la presa, indicaba que esa zona había estado sometida a una tensión muy importante.
Es importante tener en consideración que la red de drenaje (perforación de drenes) para el alivio de la subpresión se debe ejecutar tanto en las secciones centrales de la presa, como en las secciones próximas a los estribos. En la parte central de la presa se ejecutaron diez drenes dispuestos en dos filas, tal y como muestra la imagen siguiente. Esta parte central de la presa no colapsó, pero las zonas de la presa próximas a los estribos no disponían de drenes, y precisamente fueron esas zonas donde tuvo lugar el colapso.
Si la presa se inclinó hacia aguas abajo medio grado, podría explicar la bajada de 9 centímetros que tuvo lugar en el nivel de embalse y que se registró 40 minutos antes del colapso de la presa. Cuando se abrió la fisura en la base desde el paramento de aguas arriba de la presa, el empuje resultante aumentó la inestabilidad al vuelco.
Hasta el año 1928, la mayoría de las presas de gravedad de hormigón se analizaban asumiendo que no existía subpresión en el contacto presa-cimiento. Se consideraba el peso propio del hormigón de la presa y el empuje hidrostático y se comprobaba si la fuerza resultante se encontraba dentro del tercio central de la base de la presa.
En 1945, Karl Terzaghi publicó un artículo en el que demostraba que el agua podía filtrarse a través de los poros del hormigón, saturándolo, generando presiones intersticiales y consecuentemente una fuerza ascensional de subpresión.
A posteriori, se llevó a cabo un análisis convencional de las tensiones en la presa St. Francis, teniendo en consideración la subpresión. Este estudio reveló que la presa presentaba inestabilidad al vuelco cuando el nivel de embalse se situaba 2 metros por encima de la coronación de la presa. Además, la totalidad de la subpresión pudo actuar en las inmediaciones de los estribos de la presa, porque no se disponía de drenes para el alivio de las subpresiones en las proximidades de los estribos.
Las tensiones que se produjeron por el efecto arco en la presa St. Francis fueron muy altas cuando el nivel de embalse se elevó 3,5 metros respecto al umbral del aliviadero. El diseño de la presa fue anterior al desarrollo de la teoría “Trial load” o de las cargas de prueba que establecía una distribución de tensiones por el efecto arco (reparto de cargas entre ménsulas y arcos). Por lo tanto, el diseño de la presa no tenía en consideración la contribución del efecto arco a la estabilidad de la estructura.
En el periodo comprendido entre el 1 de junio y el 1 de septiembre de 1926, el embalse se llenó 33,5 metros, hasta la cota 542,50 m, y posteriormente se vació 6 metros durante los meses de otoño e invierno, cuando la demanda era más baja, hasta la cota 536,50 m.
Desde el 5 de enero hasta el 8 de mayo de 1927, el embalse subió 16 metros, hasta la cota 558,50 m, aproximadamente a un metro por debajo del umbral de aliviadero, y se mantuvo a esa cota durante 3 semanas. Posteriormente, el nivel de embalse bajó a la cota 552,50 m hasta el 10 de noviembre de 1927.
Durante el primer año de explotación de la presa se formaron grandes grietas transversales al eje de la presa. La causa probable fue la respuesta tensional al calor de hidratación del hormigón.
Tuvieron lugar filtraciones importantes visibles en el paramento de aguas abajo a través de fisuras, y fue necesario llevar a cabo la realización de inyecciones.
Durante el segundo año de explotación (1927-28) se formaron nuevas grietas en el cuerpo de la presa. A principios de marzo de 1928 las filtraciones eran importantes.
Los niveles altos de embalse mantenidos durante el año 1927 originaron un aumento de las filtraciones en el paramento de aguas abajo de la presa. El ingeniero jefe William Mulholland ordenó que las cuatro grietas se sellaran con estopa para evitar la pérdida de la lechada de cemento previamente inyectada en las citadas grietas.
El umbral de aliviadero de la presa de St. Francis estaba a la cota 559,30 m. El 2 de marzo de 1928 el nivel de embalse se encontraba 8 centímetros por encima del umbral del aliviadero de la presa. Esto dio lugar a un empuje hidrostático en el paramento de aguas arriba y a una subpresión en el contacto presa-cimiento muy importantes.
Por otra parte, el estribo izquierdo de la presa empujaba contra la parte central del área donde tuvo lugar el deslizamiento de ladera, que se muestra en color marrón en la imagen siguiente:
Se considera que el deslizamiento de ladera que tuvo lugar el día 12 de marzo de 1928 constituyó sólo una parte de un deslizamiento de ladera, más profundo y más antiguo, que se había desarrollado en el esquisto de Pelona.
El profesor de geología de Stanford, Bailey Willis, reconoció la importancia de las grietas de tracción existentes en la parte alta de la ladera y realizó un croquis que mostraba la relación del deslizamiento de ladera de 1928 y el deslizamiento más profundo desarrollado en el esquisto de Pelona.
A mediados de la década de 1980 se realizó una cartografía de la geología del lugar incluyendo estratificación y diaclasas en el esquisto de Pelona. La información se introdujo en una base de datos para su posterior tratamiento y evaluación.
Haciendo uso del software Keyblock se identificaron tres tipos de bloques en la base del estribo izquierdo de la presa.
La subpresión actuó bajo los bloques o cuñas de roca del estribo izquierdo de la presa. A pesar del peso del hormigón de la presa, se pudo producir levantamiento de los bloques, desestabilizando finalmente el estribo izquierdo de la presa, tal y como mostraron los resultados del modelo numérico realizado a posteriori.
Este levantamiento pudo originar el fallo en la sección del estribo izquierdo, de forma similar al mecanismo de fallo que tuvo lugar en la presa de Malpasset en 1959 (Tras ocho años de investigación, el Doctor Pierre Londe concluyó que el mecanismo de fallo fue causado por la subpresión que originó el levantamiento de una gran cuña de roca que se encontraba bajo el estribo izquierdo de la presa de Malpasset).
Las altas presiones intersticiales a lo largo de la superficie de rotura contribuyen a reducir en gran medida la fricción entre partículas, favoreciendo el deslizamiento de los bloques o cuñas de roca.
En el emplazamiento de la presa St. Francis el área de la sección transversal fue variando durante el colapso de la presa, comenzando con un área pequeña y terminando con el área máxima, tal y como se muestra en la imagen siguiente.
SECUENCIA PROBABLE DE LOS MECANISMOS DE FALLO DE LA PRESA ST. FRANCIS
Durante el año 1927 se desarrollaron varias grietas transversales visibles en el paramento de aguas abajo de la presa. Unas tres horas y media antes del colapso de la presa el estribo izquierdo asentó 30 centímetros y probablemente se produjeran nuevas filtraciones en la base del estribo izquierdo.
Comenzaron a desprenderse fragmentos de hormigón de la base de la presa por la socavación que empezó a tener lugar en el estribo izquierdo. Un caudal de agua a gran velocidad erosiona el esquisto del estribo izquierdo. Antes del colapso de la presa también se pudo producir un flujo en la base del estribo derecho.
Unos minutos antes de la medianoche del día 12 de marzo de 1928 se inició el deslizamiento de la ladera sobre el que asentaba el estribo izquierdo de la presa, colapsando el citado estribo y una parte importante del cuerpo de presa. Debido al importante volumen de deslizamiento de terreno, también se generaron olas en el embalse que batían contra la margen derecha.
A medida que el deslizamiento arrastraba el estribo izquierdo, los gigantescos bloques de hormigón en que se había fragmentado la presa eran desplazados hacia aguas abajo.
Aunque inicialmente el material procedente del deslizamiento de la ladera izquierda pudo taponar la salida del agua, finalmente el material fue rápidamente erosionado generándose la onda de avenida hacia aguas abajo.
Una vez que se había producido la socavación del estribo izquierdo, la presa se inclinó ligeramente y giró hacia ese lado (en sentido de las agujas del reloj), lo que permitió que el agua entrara en la grieta existente en el lado oeste del bloque 1. A continuación, se desencadenó otro mecanismo de fallo en el estribo derecho, generándose una segunda onda de avenida y con la lámina del embalse situada a una cota inferior.
Finalmente, tan sólo quedó en pie la parte central del cuerpo de la presa y una parte en el estribo derecho, tal y como se muestra en la imagen siguiente.
En la imagen siguiente se puede observar el tamaño de los bloques 5 y 6 tomando como referencia las personas que aparecen en la fotografía; también se observa el detritus de esquisto (hasta 3 metros de espesor) sobre los escalones del bloque número 5.
DEFICIENCIAS EN EL DISEÑO DE LA PRESA DE ST. FRANCIS
La presa fue diseñada y construida apoyándola sobre una ladera (margen izquierda) que había sufrido un deslizamiento profundo anteriormente y los autores del proyecto y de la dirección de las obras no tenían conocimiento de este hecho.
El conglomerado yesífero del Parque Natural Vasquez, de color rojo, que subyacía bajo el estribo derecho de la presa, susceptible de sufrir meteorización en presencia de agua, no era adecuado para la cimentación de la presa.
No se consideró la acción de la subpresión en el diseño, por lo tanto, el valor del coeficiente de seguridad era inferior al considerado en proyecto.
No se ejecutaron drenes en las proximidades de los estribos para aliviar la subpresión (un problema común hasta la década de 1960).
No se realizó un seguimiento y una interpretación adecuada del comportamiento de las filtraciones.
No se tuvieron en consideración los efectos tensionales internos del calor de hidratación en hormigones masivos. Tras alcanzar la temperatura máxima en la masa de hormigón se produce el enfriamiento, se generan tensiones de tracción y al superar la resistencia a la tracción del hormigón se produce el agrietamiento.
Las secciones transversales construidas no se correspondían con las secciones proyectadas. Se ejecutaron taludes menos tendidos, se decidió recrecer la presa 6 metros sin aumentar el ancho de la base, etc.
No se realizaron juntas de contracción inyectadas.
ALGUNAS CONSIDERACIONES FINALES
En una presa se pueden producir varios mecanismos de fallo de forma simultánea.
Es difícil reconocer e identificar características y mecanismos de fallo de los que se ha tenido poca experiencia previa.
La ingeniería geológica es importante en la seguridad de presas. Actualmente existen más de 153 presas en los Estados Unidos que, sin saberlo, se construyeron sobre antiguos deslizamientos de laderas.
Los ingenieros de esa época tendían a subestimar la subpresión, especialmente en presas de hormigón.
En la edición del miércoles 28 de marzo de 1928 de Los Angeles TIMES se afirmaba que el colapso de la presa se debió a un fallo en la cimentación y que el ingeniero jefe Mulholland asumía la culpa de todos los errores que se habían cometido.
