PROBLEMAS Y ROTURAS

ESTADÍSTICA DE ROTURAS DE PRESAS

Los accidentes, o mal comportamiento, han sido siempre una fuente de progreso para el hombre en sus diversas actividades. El ingeniero de presas ha estado proyectando basándose en los éxitos conocidos y, lo que es más importante, en los fallos ocurridos.

La Comisión Internacional de Grandes Presas (International Commission on Large Dams – ICOLD) ha formado diversos Comités Técnicos relacionados con la rotura y accidentes relativos a las presas. En tres ocasiones ha preparado encuestas a escala mundial para reunir la más vasta información sobre el tema.

ICOLD define como rotura: "Rotura o movimiento de una parte de la presa o de su cimiento de tal manera que la obra no puede retener el agua. En general el resultado será una salida de un volumen de agua importante, entrañando riesgo para las personas o los bienes aguas abajo".

De estas estadísticas puede deducirse que el porcentaje de roturas ha decrecido durante los cincuenta últimos años. Cuando se contemplan las presas que fueron construidas antes de 1950, el porcentaje de roturas es de un 2%; después de esta fecha y hasta 1983, el porcentaje baja a 0,5%, y continúa disminuyendo para las construidas recientemente. La probabilidad de rotura desde esta última fecha hasta nuestros días es del 0,1%.La mayor parte de las roturas ocurren en los primeros años de vida.

Si se exceptúan los casos de vertido por coronación debidos a la ocurrencia de avenidas de muy pequeña probabilidad, la causa principal del fallo ha estado relacionada con la cimentación.

En las presas de hormigón los problemas de la cimentación constituyen la causa de rotura más frecuente, un 42%, repartido a partes iguales entre la erosión interna y la resistencia insuficiente al esfuerzo cortante.

En las presas de materiales sueltos, la erosión interna del cimiento supone el 12% como la causa principal desencadenante de la rotura. El sobrevertido es, sin duda, el factor principal de rotura con un 31%.

Un buen estudio de una cimentación débil debería darnos más confianza que un estudio deficiente de una buena cimentación, pues ésta puede ocultar problemas importantes.

Hay técnicos que muestran su extrañeza por el contraste existente entre los esfuerzos dedicados a ensayos y estudios sofisticados para determinar las características y propiedades del hormigón y la menor atención que se presta a la investigación y estudio del terreno de cimentación. Afortunadamente hoy día no es así, debido principalmente al desarrollo de la Mecánica de suelos y de rocas.

Dado que algunas de las acciones que actúan sobre las presas y sus cimentaciones son menos críticas para unos tipos de presas que para otros, en lo que sigue se tratará por separado las de hormigón de las de materiales sueltos. Bien es cierto que muchas consideraciones son comunes para ambos.

FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE UNA PRESA

Las fuerzas que actúan sobre una presa de albañilería durante la construcción y después pueden ser estáticas o dinámica.

Las fuerzas verticales estáticas que actúan hacia abajo son el peso del hormigón y del refuerzo de acero y el peso del agua y del sedimento (fango) que va en ella y que se deposita sobre las caras en pendiente de la presa. Una gran parte de la presa está sumergida y, por lo tanto, la fuerza de flotación, o levantamiento, igual al peso del agua desalojada, actúa hacia arriba y disminuyes el conjunto de las fuerzas estáticas que actúan hacia abajo.

Las fuerzas horizontales que actúan sobre la presa se deben primeramente a la presión lateral del agua y del fango depositado en el embalse detrás de la presa y (en invierno) a la expansión de la capa de hielo en el embalse durante las elevaciones de temperatura. A causa de la influencia plástica del hielo presionado contra la presa, se produce en él una deformación y la presión del hielo es mas péquela de lo que se podía esperar partiendo de su fuerza de cizalla, aunque se conocen daños causados por dicha presión.La presión intersticial o capilar, es una fuerza estática variable que actúa en todas las direcciones, la cual a menudo disminuye las fuerzas verticales con efectos perjudiciales. Actúa en el cuerpo de la presa y en sus cimientos.

Los cambios de temperatura pueden producir tensiones adicionales en la albañilería; las tensiones por temperatura pueden ser particularmente perjudiciales en las presas de arco, y por eso se tienen en cuenta en el proyecto. Las fuerzas dinámicas mas importantes que actúan sobre la presa son la acción de las olas, sobre-flujo de agua, choque y fenómenos sísmicos.

ROTURAS POR DESLIZAMIENTOS EN PRESAS

Las fuerzas horizontales tienden a empujar la presa hacia abajo y , si son excesivas, pueden hacer que la presa se deslice.

PROBLEMAS DE DESLIZAMIENTO

La mayoría de las roturas de las presas sobrevienen después de grandes lluvias. El agua de las tormentas es un serio factor que contribuye a las roturas por deslizamiento de la presa (como lo es también en muchos corrimientos de tierras). La acción del agua en roca estratificada en cimientos de presa es triple:

1. El agua lubrica las superficies de roca secas y disminuyes el coeficiente seco en fricción entre ellas (excepto, aparentemente, con el cuarzo). Sin embargo, en rocas húmedas este efecto lubricante se produce aun antes de una tormenta, ya que existen siempre películas finas de humedad en la roca húmeda de cimentación y no hay ningún efecto adicional del agua de la tormenta.

2. El agua que se mueve entre los estratos no solamente disuelve el material de cimentación, sino lo erosiona por una acción puramente mecánica, aumentando de este modo el volumen de las aberturas y formando cavernas.

3. Si los intersticios entre los estratos están saturados, es decir, llenos completamente de agua, el ultimo esta bajo un a presión hidrostática directamente proporcional a la presión de la columna de agua o distancia vertical hasta el nivel del agua en el depósito. Como este nivel aumenta durante una tormenta de agua y después, la presión intersticial aumenta en proporción. La presión creciente tiende a elevar los estratos de roca superiores y la misma presa, disminuyendo por tanto la resistencia de cizalla de la roca, es decir, la resistencia a deslizarse dentro de la roca, aunque el valor del coeficiente de fricción en la base de la presa no se altere. En resumen, durante una tormenta de agua y después puede producirse una rotura de deslizamiento dentro de una cimentación de roca estratificada por un aumento perjudicial de la presión intersticial, acompañado por solución y erosión del material de cimentación. Los estratos perjudiciales por medio de un muro de cuña y se debe evitar en lo posible el paso del agua de la tormenta a los cimientos de la presa.

FALLAS EN PRESAS

Las fallas graves o catastróficas en presas de materiales locales según el orden de ocurrencia

1. Rebase de la cortina.2. Sifonamiento mecánico.3. Agrietamiento transversal.4. Deslizamiento del talud aguas abajo.5. Sismos.6. Licuación.

Fallas por rebase de la cortina.

En presas de tierra es siempre catastrófico que el agua rebase la cortina y escurra por el talud aguas abajo, debido precisamente a la naturaleza erosionable de los materiales que intervienen en su composición. Por esta razón, la presa debe estar provista de una estructura auxiliar denominada vertedor (aliviadero), que permita el alivio del vaso cuando este se llena a su máxima capacidad. Dada la naturaleza de sus funciones, el vertedor de excedencias debe estar construido con materiales no erosionables, como hormigón o, en obras más chicas, mampostería.Es por ello que el rebase de la cortina debido a insuficiencia del vertedor ocurre generalmente por una mala estimación del gasto correspondiente a la avenida máxima que deba desalojar éste.La consecuencia es que al presentarse una avenida mayor que la prevista, el vertedor no la desahoga y el agua se vierte sobre la cortina, erosionándola y dañando el talud aguas abajo, con las consecuencias ya indicadas anteriormente. Según estudios de Middlebrooks, 1953, la falla por rebase de la cortina debido a insuficiencia del vertedor, constituye la más frecuente causa de falla catastrófica conocida.

Presa Las Vírgenes Chihuahua (México)

Falla por sifonamiento mecánico.

Cuando el agua fluye a través del suelo, su carga hidráulica se disipa venciendo las fuerzas viscosas inducidas y que se oponen al flujo en los canalículos formados entre las partículas; recíprocamente, el agua que fluye genera fuerzas erosivas que tienden a empujar las partículas, arrastrándolas en la dirección del flujo. En el momento en que este arrastre se produce, ha comenzado el sifonamiento mecánico del suelo. Inevitablemente existen en la masa del suelo lugares en que se concentra el flujo de agua y en los que la velocidad de filtración es mayor (gradiente hidráulico alto); los lugares en que estas concentraciones emergen al talud aguas abajo, donde el suelo no está confinado, son particularmente críticos en lo referente a posibilidades de arrastre de partículas sólidas; una vez que las partículas empiezan a ser removidas van quedando en el suelo pequeños canales por los que el agua circula a mayor velocidad, con lo que el arrastre se acentúa, de manera que el fenómeno del sifonamiento mecánico tiende a crecer continuamente una vez que comienza, aumentando siempre el diámetro de los canales formados. El límite final del fenómeno es el colapso del borde, al quedar éste surcado por conductos huecos de gran diámetro que afectan la estabilidad de la sección resistente hasta la falla. Un factor que contribuye mucho al sifonamiento mecánico es la insuficiencia en la compactación del terraplén, que deja alguna capa del mismo suelta y floja; esto es particularmente probable cerca de muros o superficies de hormigón, tales como ductos o tubos.

Falla por agrietamiento.

Posiblemente las fallas por agrietamiento causados por asentamientos diferenciales en la cortina de tierra sean mucho más numerosas de lo que la literatura sobre el tema pudiera hacer pensar; en efecto, se reportan como tales los grandes agrietamientos que no pueden pasar inadvertidos, pero posiblemente muchas fallas de presas que se achacan a otras causas, principalmente sifonamiento, tienen su origen en la aparición de grietas y fisuras no muy grandes en la masa de tierra. El agrietamiento se origina cuando la deformación de la cortina produce zonas de tracción, que aparecen por asentamiento diferencial de la masa del suelo, sea por deformación del propio cuerpo del terraplén o del terreno de cimentación. Como quiera que por estas causas la presa pueda deformarse de muchos modos, los sistemas de agrietamiento, que el ingeniero puede encontrar en sus inspecciones a presas son de una inmensa variedad. Las grietas pueden aparecer paralelas o transversales al eje de la cortina y la orientación del plano de agrietamiento puede ser prácticamente cualquiera. El agrietamiento puede ocurrir con anchos abiertos hasta de 15 ó 20 cm. si bien son más comunes anchos de grietas de 1 ó 2cm. Las presas de pequeña altura son las que más comúnmente sufren el fenómeno, pero también se presenta con frecuencia en las partes superiores de las presas altas. El que las presas menores sean las más susceptibles al fenómeno, quizás se deba a que las presiones grandes que hay en el interior de las presas mayores protegen al suelo. Las grietas más peligrosas son las que ocurren transversalmente al eje de la cortina, pues crean una zona de concentración de flujo; son producidas generalmente por asentamiento diferencial, de la zona de la cortina próxima a las laderas de la boquilla, respecto a la zona central del cauce.

Falla por deslizamiento de taludes.

La falla por deslizamiento de taludes es quizá la más estudiada de todas las que frecuentemente ocurren en las presas de tierra. La razón es que, además de su importancia intrínseca, es el tipo de falla más susceptible de análisis y cuantificación con los métodos existentes para el estudio de estabilidad de taludes. Existe un buen volumen de información estadística respecto a este tipo de falla, de la que se desprende que las fallas por deslizamiento ocurren preponderantemente en los primeros tiempos de la vida de la presa y también, y ésta es sin duda una conclusión alentadora, acontecen cada vez más raramente en presas de reciente y cuidadosa construcción; de hecho parece haber evidencia suficiente para poder decir que si el diseño y la construcción de una presa, por alta que sea, se cuidan lo necesario, las técnicas de que se dispone permiten adoptar una actitud de tranquilidad ante la posibilidad de ocurrencia de estas fallas. Las fallas por deslizamiento suelen considerarse divididas en tres tipos principales:

1. Falla durante la construcción.

Estas fallas han sido menos frecuentes que las ocurridas durante la operación; nunca han sido catastróficas. Las fallas se han presentado sobre todo en presas cimentadas en arcillas blandas, con gran porción de la superficie de falla a través de ese material, y pueden ser rápidas o lentas, según que el material de cimentación sea homogéneo o presente estratificaciones que favorezcan el movimiento. En Cuba, hasta donde conoce el autor, no se ha reportado este tipo de falla por deslizamiento.

2. Falla durante la operación

Las fallas por deslizamiento de taludes que han ocurrido durante el período de operación de las presas de tierra, han sido sobre todo de dos tipos: profundas, con superficie de falla invadiendo generalmente terreno de cimentación arcilloso, y superficiales, afectando sólo pequeños volúmenes del talud.

3. Falla después de un vaciado rápido

Todas las fallas de importancia reportadas por deslizamiento del talud aguas arriba han ocurrido como consecuencia de un vaciado rápido. Las fallas del talud aguas arriba no han causado el colapso de la presa o pérdida de agua en el almacenamiento, pero frecuentemente han causado situaciones de peligro al tapar conductos, galerías, etc. En el mencionado estudio de Sherard, 1953, respecto a 12 presas, mostró que las fallas se presentaron en casos en que el nivel del agua estuvo descendiendo a partir del máximo hasta la mitad de la altura a razón de 10 a 15 cm/día. Una buena parte de las fallas durante el vaciado han ocurrido la primera vez que esta operación se efectúa en forma importante.

Falla por sismo.

Juzgando por la experiencia de Sherard, 1963, puede decirse que las fallas producidas por los sismos en las presas de tierra han presentado las siguientes características:

1. Las fallas más frecuentes son grietas longitudinales en la corona de la presa y asentamiento en la misma.

2. Solo existe un caso en que se ha reportado la destrucción total de una presa de tierra por sismo, probablemente debido a licuación.

3. Los daños en las presas parecen haber sido causados principalmente por la componente horizontal del movimiento sísmico en dirección transversal al eje de la cortina.

4. Existen muy pocas fallas por deslizamiento tienen mayores períodos (menores frecuencias) atribuibles a estos temblores de tierra, aún en cortinas deficientemente compactadas.

5. Hay ciertos indicios que permiten pensar que los sismos que causan más daños a presas que los que causan la máxima destrucción en edificios. Por esto, presas muy próximas al epicentro de un temblor pueden salir mucho mejor libradas que otras colocadas a distancias mucho mayores.

6. Los espaldones granulares mal compactados (bajo peso específico seco,) o formados por fragmentos de roca muy contaminada por finos, puede sufrir fuertes asentamientos por sismo, que provocarían dificultades al elemento impermeable. Así, la compacidad adecuada y el lavado de las rocas que lo ameriten constituyen una precaución indispensable.

7. Del sismo puede emanar el riesgo de la falla por licuación que se describirá a continuación. En Cuba no se ha reportado, hasta donde elautor conoce, fallas por temblores, si bien es cierto que los sismos ocurridos son de pequeña intensidad.

Falla por licuación.

Este fenómeno de la licuación está asociado a limos y arenas no plásticas. En el caso de una presa de tierra, la licuación de materiales en la cortina conduce a un derrame de los mismos en grandes áreas, hasta adoptar taludes irregulares y muy tendidos, que en algunos casos pueden sobrepasar el valor 10:1.Como ya se dijo, los suelos más susceptibles a la licuación son los finos, no cohesivos, de estructura suelta y saturados. Estas características describen a las arenas finas y uniformes y a los finos no plásticos, o sus mezclas. Las arenas sueltas con D10< 0,1mm y coeficiente de uniformidad, C < 5 y los limos con I < 6up % son los materiales más peligrosos, tanto en la cortina como en el terreno de cimentación de una presa de tierra.