En este post se presenta un caso relevante de cavitación en el aliviadero de la presa Glen Canyon 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 GLEN CANYON
La presa Glen Canyon está ubicada en el río Colorado en el norte de Arizona. La construcción de la presa finalizó en 1964, año en el que entró en explotación.
Se trata de una presa arco gravedad de hormigón con una altura de 216 metros y una longitud de coronación de 475 m. La presa dispone de dos aliviaderos. Un aliviadero está ubicado en el estribo de la margen izquierda y el otro aliviadero está ubicado en el estribo de la margen derecha. Cada aliviadero consta de dos vanos con compuertas radiales de dimensiones 12 x 17 metros.
Aguas abajo de las compuertas radiales de cada aliviadero arranca un túnel revestido de hormigón de 12,5 metros de diámetro con un trazado que discurre a través de los estribos de arenisca en ambas márgenes. Cada túnel de aliviadero tiene una pendiente del 55%, con una curva o codo en el trazado en alzado, un tramo horizontal de 300 metros de longitud y finalmente una cubeta deflectora en el extremo de aguas abajo.
La capacidad de descarga total de los dos aliviaderos funcionando simultáneamente es de 7815 m3/s, cuando el nivel de embalse se encuentra 19 metros por encima del umbral de los aliviaderos.
EPISODIOS HISTÓRICOS
El agua vertió por primera vez a través de los aliviaderos en el año 1980, es decir, 16 años después de la finalización de la presa (1964).
Pero fue durante un episodio de avenidas, originado por el deshielo de la nieve que tuvo lugar a finales de mayo de 1983 en la cuenca vertiente del río Colorado, cuando el embalse alcanzó un nivel de llenado tal que fue necesario recurrir al vertido de importantes caudales, especialmente por el aliviadero de la margen izquierda.
QUÉ SUCEDIÓ EN EL AÑO 1983
El túnel del aliviadero de la margen izquierda experimentó daños significativos por cavitación durante la operación en el episodio de avenidas de junio del año 1983.
El 2 de junio de 1983 se abrieron las compuertas del aliviadero del túnel de la margen izquierda para verter 285 m3/s. El 5 de junio se incrementó el desembalse a 570 m3/s. El 6 de junio, el personal de explotación escuchó fuertes ruidos provenientes del túnel del aliviadero de la margen izquierda.
Los ingenieros examinaron el túnel y se encontraron con varios agujeros grandes en la solera del codo. Los daños se produjeron por cavitación, favorecida por las discontinuidades existentes debido a la formación de depósitos de calcita en la solera del túnel inmediatamente aguas arriba del codo.
A pesar de los daños observados, el progresivo ascenso del nivel en el embalse requirió aumentar la descarga en el túnel del aliviadero de la margen izquierda a 650 m3/s el día 23 de junio. El caudal vertido por el túnel del aliviadero de la margen derecha se mantuvo en 170 m3/s con la finalidad de minimizar el daño por cavitación en el túnel de la margen derecha.
Las compuertas de los aliviaderos finalmente se cerraron el 23 de julio y los ingenieros realizaron una inspección minuciosa de los túneles. Los peores daños tuvieron lugar en el túnel del aliviadero de la margen izquierda, donde se produjo un socavón de 11 metros de profundidad, 41 metros de longitud y 15 metros de ancho, por la erosión de la arenisca en la zona situada inmediatamente aguas abajo del codo (Burgi & Eckley 1987), tal y como se muestra en la imagen siguiente.
También se observaron daños de menor entidad en el revestimiento de hormigón del túnel inmediatamente aguas arriba del codo.
TRABAJOS DE REPARACIÓN Y ADECUACIÓN LLEVADOS A CABO
Posteriormente fue necesario llevar a cabo un extenso trabajo de reparación en el túnel del aliviadero de la margen izquierda, abordando la citada reparación en seis fases:
1º) Demolición y retirada del revestimiento de hormigón del túnel y de la roca de cimentación que se encontraba en estado defectuoso,
2º) Relleno de las grandes cavidades que se habían producido en los cimientos de arenisca con hormigón (las cavidades de arenisca se rellenaron con 1550 m3 de hormigón tremie antes de proceder con el nuevo revestimiento del túnel),
3º) Reconstrucción del revestimiento del túnel,
4º) Parcheado y pulido de pequeñas áreas defectuosas,
5º) Retirada de 400 metros cúbicos de escombros depositados en el tramo inferior del túnel y en la cubeta deflectora o trampolín,
6º) Construcción de un dispositivo de aireación aguas arriba del codo del túnel.
SISTEMA DE AIREACIÓN DISEÑADO
El sistema de aireación se ensayó en el Laboratorio de Hidráulica del Bureau of Reclamation para garantizar que su diseño se ajustara a las necesidades requeridas.
La ranura de aireación se construyó en el tramo inclinado del túnel, aproximadamente 45 metros aguas arriba del comienzo del codo.
La ranura tenía una sección transversal de 1,2 x 1,2 metros y se extendía alrededor de las tres cuartas partes inferiores de la circunferencia del túnel, tal y como se muestra en la figura siguiente.
Inmediatamente aguas arriba de la ranura se construyó una pequeña rampa de 0,18 metros de alto y 1,3 metros de longitud.
PRUEBAS EFECTUADAS PARA EVALUAR EL FUNCIONAMIENTO DEL DISPOSITIVO DE AIREACIÓN
Se llevaron a cabo ensayos de laboratorio y pruebas, de tal manera que con la instrumentación empleada se midieron las velocidades medias del aire proporcionadas por el dispositivo de aireación en función del caudal vertido por el aliviadero:
- Para un caudal de 285 m3/s se midió una velocidad media del aire de 20 m/s,
- Para un caudal de 570 m3/s se midió una velocidad media del aire de 38 m/s,
- Para un caudal de 990 m3/s se midió una velocidad media del aire de 71 m/s,
- Para un caudal de 1415 m3/s se midió una velocidad media del aire de 75 m/s.
Tras la realización de los ensayos en laboratorio en junio de 1984 se concluyó que la evaluación de todos los resultados obtenidos indicaron que el dispositivo de aireación diseñado funcionaba satisfactoriamente. No se observó ningún daño por cavitación y las mediciones de demanda de aire y
presiones (estáticas y dinámicas) respaldaron este hecho. Los estudios que se realizaron durante la investigación para el diseño del dispositivo de aireación incluyeron el análisis de las fluctuaciones de las presiones dinámicas y la medición de la distribución de velocidades en el entorno de la ranura de aireación.
El 12 de agosto de 1984, durante las pruebas para evaluar el funcionamiento del nuevo dispositivo de aireación en el túnel del aliviadero de la margen izquierda de la presa Glen Canyon, el caudal máximo vertido por el aliviadero de la margen izquierda fue de 1415 m3/s y las cuatro válvulas de chorro hueco de 2400 mm de diámetro desaguaron un caudal adicional de 115 m3/s.
CONCLUSIONES
Las actuaciones de reparación y adecuación se llevaron a cabo con la finalidad de volver a poner en servicio el aliviadero de la margen izquierda y reducir el riesgo de daños potenciales en el futuro.
Se aprendió mucho sobre el fenómeno de la cavitación observando el flujo e inspeccionando las superficies del túnel.
Para evaluar la eficacia de la ranura de aireación fueron muy útiles las inspecciones del túnel realizadas en la fase de pruebas.
La ranura de aireación permitió que no se produjeran daños por cavitación durante las pruebas realizadas en 1984.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1) USACE (2019) Chapter F-3 Cavitation Damage Induced Failure of Spillways,
2) Creegan, P., et al., (1999) Compendium of Case Histories on Repair of Erosion-Damaged Concrete in Hydraulic Structures,
3) Burgi, P.H. and M.S. Eckley. March 1987. Repairs at Glen Canyon Dam, Bureau of Reclamation, Concrete International Design and Construction, Denver, Colorado,
4) Frizell, K. (1985) Spillway Tests at Glen Canyon Dam. U. S. Department of the Interior Bureau of Reclamation. Engineering and Research Center, Denver, Colorado.
