El fallo de la compuerta número 3 del aliviadero de servicio de la presa Folsom tuvo lugar el día 17 de julio de 1995. No fue necesario realizar la evacuación de personas residentes aguas abajo de la presa y no hubo que lamentar daños personales.
Las imágenes y los datos empleados en este post se han obtenido a partir del artículo:
Salamon, J., 2016. Lessons learned from the spillway gate failure at Folsom dam. USSD 2016 Annual Conference (en adelante Salamon, J., 2016).
Y a partir del sitio web de la Association of State Dam Safety Officials (ASDSO)
CARACTERÍSTICAS DE LA PRESA FOLSOM
La presa Folsom ubicada al noreste de Sacramento en California (USA) en el Río Americano cuya construcción se realizó en el periodo comprendido entre los años 1948 y 1956 (la presa fue construida por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos) tiene una altura de 103,60 metros, es una presa de gravedad de hormigón con dos diques laterales de materiales sueltos y su función principal es la producción de energía hidroeléctrica.
El aliviadero de la presa Folsom permite el vertido de caudal al río y la interrupción del caudal a la central hidroeléctrica, en casos de mantenimiento o en situaciones de emergencia.
El aliviadero consta de ocho vanos de 12,80 metros de anchura libre en cada vano, equipados con cinco compuertas de servicio radiales tipo Taintor de 15,25 metros de altura, así como tres compuertas de emergencia radiales tipo Taintor de 16,15 metros de altura.
¿QUÉ SUCEDIÓ?
El 17 de julio de 1995, cuando el embalse Folsom estaba a plena capacidad, un operador de la presa intentó abrir la compuerta número 3 para el vertido de caudal al río durante un cierre programado de la central hidroeléctrica.
Cuando se accionó la compuerta número 3, el agua comenzó a fluir por el aliviadero según lo previsto. Pero cuando se alcanzó una apertura de compuerta de 0,75 metros el operador se dio cuenta que estaba teniendo lugar una vibración inusual acompañada de ruidos fuertes o rechinamientos.
En cuestión de unos pocos segundos la compuerta radial se abrió por completo liberando un caudal máximo aproximado de 1130 m3/s, de tal manera que se produjo el desagüe del 40 por ciento del volumen embalsado.
Tras notificar inmediatamente el fallo de la compuerta, el operador de la presa Folsom se dirigió a la presa Nimbus, situada aguas abajo, con la finalidad de ayudar al personal de explotación a realizar las maniobras en las compuertas del aliviadero de esta presa.
Gracias a la actuación de emergencia llevada a cabo por el operador de la presa Folsom, tras el fallo de la compuerta, se evitó el desbordamiento de la presa Nimbus y el volumen de agua desembalsado por la presa Folsom fue laminado por la presa Nimbus de forma segura.
Como resultado de estas acciones, las consecuencias del fallo se limitaron al daño en la propia compuerta y la pérdida de una parte del volumen almacenado. La reparación de la compuerta y la adecuación del resto de compuertas se llevó a cabo con un presupuesto de 20 millones de dólares.
El informe forense que documentó el fallo de la compuerta del aliviadero de la presa Folsom reveló que la causa se debió a una fricción excesiva entre los pasadores de 813 milímetros de diámetro y los cojinetes. Y esa fricción excesiva fue causada por la corrosión de los elementos producida con el paso del tiempo.
Debido a las fuerzas de fricción adicionales que aparecieron por el aumento del coeficiente de rozamiento, se produjo un aumento de las tensiones en los puntales y tirantes de la compuerta. Los puntales de la compuerta trabajan a compresión, pero la fricción excesiva en el pasador indujo un incremento de esfuerzo de flexión durante el accionamiento de la compuerta. Las barras diagonales que conectan los puntales absorben los esfuerzos trabajando a axil pero finalmente la resistencia de las uniones diagonales-puntales se vio superada por la sobrecarga que tuvo lugar durante la maniobra de apertura de la compuerta.
Tras la investigación efectuada se concluyó que no se había tenido en consideración la fricción entre el pasador y el cojinete en el análisis estructural realizado para el diseño de la compuerta.
El coeficiente de rozamiento entre el pasador y el cojinete fue aumentando gradualmente debido a una disminución en la frecuencia de las labores de mantenimiento (engrasado, protección frente a la intemperie y las salpicaduras, etc.)
Llama la atención, que el fallo tan sólo tuviera lugar en una de las cinco compuertas de servicio del aliviadero de la presa Folsom, siendo las cinco compuertas de servicio idénticas y habiéndose accionado todas de forma similar durante un periodo de casi 40 años. Pero la investigación también permitió averiguar que la compuerta de servicio número 3 no se había abierto más de 0,61 metros desde el año 1958.
LECCIONES APRENDIDAS
El fallo de la compuerta de servicio número 3 del aliviadero de la presa Folsom tuvo un impacto positivo impulsando un enfoque renovado en relación con el mantenimiento y la supervisión de las compuertas radiales tipo Taintor.
A partir de ese momento muchas compuertas radiales de los aliviaderos de las presas se modernizaron reforzando la estructura y aplicando la lubricación adecuada periódicamente.
Sirva como ejemplo de ese nuevo enfoque adoptado las compuertas del aliviadero auxiliar de seis vanos de la presa Folsom. Es decir, en julio de 2014 se instaló la primera compuerta Taintor del aliviadero auxiliar de la presa Folsom. En las imágenes siguientes se observa la colocación de la viga soporte con los cojinetes, del tablero de una de las compuertas de acero de 179 toneladas de peso, de uno de los brazos radiales y de uno de los pasadores de acero inoxidable.
RECOMENDACIONES
A continuación, se establecen algunas recomendaciones fruto de la investigación realizada tras el fallo de la compuerta número 3 del aliviadero de la presa Folsom y fruto de la experiencia de otros autores relacionada con el diseño y el análisis estructural de compuertas radiales existentes.
1) Material empleado para el pasador: las compuertas radiales con pasadores de acero al carbono suelen presentar vibraciones durante su accionamiento, siendo un indicador de una mayor fricción entre pasadores y cojinetes debido a la corrosión de estos elementos que se caracteriza por la presencia de óxido.
En la actualidad se emplean pasadores de acero inoxidable para reducir el riesgo de corrosión y cojinetes-fijaciones autolubricantes para reducir el riesgo de una mayor fricción por problemas de engrasado.
En caso de disponer pasadores de acero al carbono, el conjunto, incluyendo los cojinetes, debe sellarse adecuadamente para evitar la intrusión de agua y de suciedad.
2) Componentes críticos para el funcionamiento de la compuerta: en el caso de las compuertas del aliviadero de servicio de la presa Folsom el peso de los brazos de cada compuerta suponía el 18,5 por ciento del peso total.
Un aumento del área de la sección transversal de los elementos del brazo supone un pequeño aumento en el peso total de la compuerta y un pequeño incremento del costo total de fabricación de la compuerta. Sin embargo, el aumento en la resistencia que se consigue en los brazos supone un significativo incremento en la seguridad de toda la estructura de la compuerta, reduciendo significativamente la probabilidad de fallo.
Por lo tanto, se recomienda que los brazos de las nuevas compuertas radiales se diseñen con una resistencia adicional para tener en consideración la corrosión y sobrecargas imprevistas que se puedan presentar durante la vida útil de las compuertas.
3) Análisis estructural: además de los momentos flectores en los brazos de la compuerta (peso propio, excentricidad de los puntales, fricción entre pasador y cojinete…) y la presión hidrostática del agua del embalse, también hay que tener en consideración los efectos de segundo orden para una determinación precisa de las fuerzas en puntales, elementos de arriostramiento y uniones. Es importante considerar en el análisis estructural de la compuerta radial la redistribución de esfuerzos que se puede producir en los elementos del brazo (puntales, uniones, etc.), el pandeo de los elementos que forman parte de las uniones (placas atornilladas…) En definitiva, se trata de realizar un análisis de estabilidad para toda la estructura y para cada uno de sus componentes, incluyendo el pandeo local de los elementos de las uniones.
Además, si durante la vida útil de las compuertas radiales se prevé la superación de los valores de las tensiones límite admisibles en alguno de los elementos se recomienda realizar un análisis de fatiga de los componentes y de las uniones de la compuerta.
CONCLUSIONES
Si el mantenimiento del sistema pasadores-cojinetes (engrasado, protección frente a la intemperie…) se hubiera realizado adecuadamente y si también se hubieran llevado a cabo las inspecciones necesarias, se podría haber evitado el fallo de la compuerta.
Desde entonces, los operadores de la presa Folsom han implementado todas las precauciones necesarias tras la reparación de la compuerta de servicio número 3, con la finalidad de garantizar el funcionamiento en condiciones de seguridad.
El fallo de la compuerta del aliviadero en la presa Folsom impulsó un programa de investigación integral que permitió una mejor comprensión del comportamiento estructural de las compuertas radiales, lo que condujo a la adopción de criterios más precisos para el diseño estructural de las citadas compuertas.
