análisis de riesgo de falla en presas, estadísticas y
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Revisión temática
Análisis de riesgo de falla en presas, estadísticas y parámetros de referencia
Humberto Marengo Mogollón
Comisión Federal de Electricidad
Se realizó una investigación acerca de los antecedentes de durabilidad y de las fallas en presas ocurridas hasta se comentan las estadísticas de los incidentes y /as fallas en presas efati- zando las presentadas por desbordamiento, y se acotan ciertos parámetros de referencia que de- ben considerarse para hacer un análisis teórico de riesgo de falla en presas.
Introducción
Incidentes con severas consecuencias han ocurrido en años recientes en diversas presas del mundo, los cuales han originado la falla de algunas de ellas. Ante esta situación, se ha despertado una preocupación plenamente justificada, ya que la súbita liberación de miles de toneladas de agua sobre las poblaciones puede causar enormes pérdidas humanas y materia- les, además de graves daños al medio ambiente, con- cluyéndose en forma generalizada que las presas no deben fallar.
Cuando el ingeniero proyectista diseña una presa, debe, de acuerdo con el Comité Internacional de Gran- des Presas (ICOLD por sus siglas en inglés), crear una estructura que resulte lo más económica posible, al tiempo que considera los siguientes aspectos:
Deberá comportarse satisfactoriamente sin deterio- ro apreciable durante la vida de la presa No deberá fallar en forma catastrófica durante las condiciones más severas que puedan suceder du- rante su vida útil
La filosofía de estas aseveraciones se refiere a la es- tabilidad de las presas, no obstante cabe preguntarse si se consideran avenidas excepcionales que contem- plen los efectos del acarreo de grandes volúmenes de sólidos que transportan sedimentos, producto del des- lizamiento de laderas y árboles derribados que en mu- chas ocasiones obstruyen afluentes que deben tomar-
se en cuenta para definir los niveles de seguridad de las presas.
La respuesta debe darse de tal manera que garan- tice, sin exagerar, la seguridad para un alto rango de avenidas, sin menoscabo de la disposición presu- puestal.
Surge entonces otra pregunta: ¿los gastos ocasio- nados por el incremento de la seguridad en presas podrían destinarse a otros propósitos? en cuyo caso ¿es posible aceptar una falla económica de una presa en la que se incluyan los daños aguas abajo?
Es conveniente recurrir a un análisis técnico y eco- nómico del riesgo para responder a estas preguntas, pero como los aspectos político y social siempre pre- valecen es necesario que nos formulemos una nueva pregunta: ¿a qué costo la sociedad debe proporcionar seguridad a las vidas humanas? No existe una res- puesta universal, pues el criterio de seguridad depende de cada país, estado, región y aún de cada individuo.
El conocimiento de los fenómenos hidrometeorológi- cos avanza significativamente por lo que existe opti- mismo en cuanto a que los principios básicos de segu- ridad en presas se están estableciendo para disminuir sensiblemente el riesgo de falla.
Sin embargo, a pesar del esfuerzo para controlar las grandes avenidas, pueden ocurrir eventos extraordina- rios que sobrepasen las limitaciones humanas (Martin, 1985). Para prevenirlos puede establecerse un margen de seguridad al instalar un sistema de emergencia aguas arriba y aguas abajo del sitio de la presa, como ya se ha hecho en otros países.
Un análisis de seguridad permitirá, sin duda, cons- Nuevamente en el Proyecto Aguamilpa a principios truir presas más seguras y económicas, corregir algu- de se produjeron lluvias inusuales en la cuen- nas de las construidas con criterios audaces y tomar ca del río Santiago que ocasionaron una avenida en cuenta la confiabilidad que deben tener estructuras extraordinaria de m3/s, la cual se presentó el temporales como las obras de desvío. de enero de ese año, aunque tres días después
Aunque en México no se han presentado fallas por el caudal había disminuido a m3/s, y el de desbordamiento en grandes presas, nuestro país está enero se volvieron a presentar m3/s. La deci- sujeto a trayectorias ciclónicas que han ocasionado sión de haber construido un canal fusible permitió situaciones no previstas inicialmente en grandes pro- manejar la avenida, reduciendo el gasto pico a la yectos: mitad y evitando graves daños tanto a la cortina
como en la planicie costera aguas abajo. La presa del Infiernillo en Michoacán fue construida por la Comisión Federal de Electricidad, CFE, entre Estos sucesos de ninguna manera deben conside- los años y con objeto de generar energía rarse como tope de lo sucedido, sino más bien como y controlar avenidas del bajo Balsas. La obra de ex- indicadores de Io que puede suceder. cedencias se diseñó inicialmente para un gasto pico de entrada de m3/s; posteriormente un grupo Generalidades de consultores determinaron incrementar la avenida de ingreso a m3/s al considerar envolventes Una presa es una estructura de control primaria ubica- mundiales, ya que el periodo de registros en el mo- da en un canal o río, de tal manera que permita el al- mento del proyecto era de solamente nueve años. macenamiento de agua para su aprovechamiento. De Finalmente se utilizó una avenida de m3/s acuerdo con Vega y Arreguín las funciones de amplificando la máxima de m3/s ocurrida el una presa son: almacenar el agua (presas de almace-
de octubre de En octubre de se pre- namiento), levantar el nivel de la misma para su apro- sentó la mayor avenida histórica registrada hasta vechamiento (presas de derivación) o ambas tareas. ahora en el sitio, apenas a dos años de haber termi- El crecimiento humano ha llevado a los ingenieros a nado la presa. El gasto máximo estimado fue de la construcción de presas cada vez más grandes que
m3/s, tuvo días de duración y un volumen de permitan irrigar tierras, tomar agua para consumo hu- millones de metros cúbicos mano, municipal e industrial, así como para la genera-
El de agosto de en las presas Aguamilpa y ción de energía eléctrica, además de ser de gran utili- Zimapán se presentó en el sitio del Proyecto Hidro- dad para el control de avenidas. Estas razones hacen eléctrico Aguamilpa un gasto de m3/s que fue que las presas en altura, número, tamaño y costo ha- regulado a m%; debido a la mala calidad yan crecido exponencialmente en las Últimas décadas. de la roca del túnel de desvío se tuvo un caída de Existen en el mundo más de presas, inclu-
m3 que bloqueó momentáneamente el flujo, yendo grandes presas que según el ICOLD produciéndose un fenómeno transitorio cuya colum- (1989) son las que tienen más de m de altura, aun- na de agua alcanzó los m de altura en la lum- que también entran en esta categoría las que están brera de compuertas de cierre final. Afortunada- entre y m pero que cumplen con alguna de las mente la misma sobrepresión y el flujo erosionaron siguientes condiciones: longitud de cresta de m el derrumbe dejando libre la entrada en pocos mi- por Io menos o descarga máxima de m3/s, condi- nutos. ciones complejas en la cimentación o diseño inusual Intensas precipitaciones en la parte central del país de la presa. ocasionaron que las presas Taxhimay, Danxhó, Re- El número de presas construidas en los últimos quena y Endhó sobre el río Tula tuvieran fuertes años, supera el del total, más del de estas escurrimientos y derrames. El de julio de se presas (36 327) tienen una altura de entre y m, y presentó en el sitio del Proyecto Hidroeléctrico hay menos de un (26) que exceden los m de Zimapán un gasto pico de m3/s, que corres- altura. A manera de resumen, se puede decir que exis- ponde prácticamente al del diseño de la obra de ten muy pocas presas de más de m de altura, de- desvío de m3/s; la sobreelevación inmediata cenas de más de m y cientos de más de m de m de la ataguía aguas arriba permitió incre- (ICOLD, 1989). mentar la capacidad de regulación de dicha obra y Es significativo que más de presas fueran ter- no perder la fuerte inversión inicial hecha hasta ese minadas en de las cuales el supera los momento. m de altura y el los m. También muy gran-
des presas superaron los m de altura con un volu- men de más de millones de m3 en la construcción de la cortina y una capacidad de más de km3 en el almacenamiento.
Algo más de grandes presas estaban en cons- trucción en y en Estos números se han mantenido prácticamente constantes en los últimos cinco años.
Las presas proporcionan grandes beneficios al ser humano, pero también resultan potencialmente peli- grosas, ya que ocurren fallas por enorme magnitud de los volúmenes de agua que almacenan, fenómeno que provoca grandes pérdidas humanas y materiales, además de daños importantes al medio ambiente. De hecho, puede decirse que pocas actividades huma- nas poseen tal potencial de daño y destrucción como la falla de una presa, aunque son pocas las que expe- rimentan durante su vida útil los eventos extremos para los cuales fueron diseñadas.
Para los estudios de comportamiento se han repor- tado grandes presas, distribuidas en países hasta (Laginha, como se muestra en el cuadro en el que se indican cuatro tipos de presas de concreto: gravedad (G), arco y arcos múltiples (A), contrafuertes (C), mampostería (M) y dos tipos de ma- teriales sueltos; tierra (T) y enrocamiento (E).
Cabe señalar el bajo porcentaje de presas de enro- camiento en comparación con las de tierra, debido fundamentalmente a que el desarrollo de la mecánica de rocas ha sido reciente, por lo que no se habían es- cogido para su construcción a este tipo de presas
Antecedentes de fallas en presas
El objetivo al revisar las principales causas de falla en presas es conocer los factores más importantes que deben tomarse en cuenta al hacer un análisis de ries- go de falla. Los trabajos en cuanto a estadística de fallas en presas más recientes son el de Lebreton de
referente a fallas y accidentes graves en presas; el de Laginha Serafim y Coutinho-Rodrigues de
y el de Silveira acerca de la durabilidad de presas de Sin embargo, existen numerosos antecedentes
entre los que se pueden mencionar los presentados por Baecher quien resume las causas de falla en presas, de acuerdo con varios autores en el cuadro
Según Yen y Tang (1 los factores relacionados con las causas de falla en presas pueden agruparse como sigue:
Factores hidrológicos. Incluyen frecuencia de aveni- das, volumen pico y distribución en el tiempo de las avenidas, nivel inicial del embalse antes de recibir la avenida, sedimentos en el embalse, escombros al- rededor de la presa y oleaje por viento Factores hidráulicos. Comprenden la capacidad del vertedor, obras de toma, compuertas, erosión y falla de tuberías y válvulas Factores geotécnicos. Abarcan condiciones desfa- vorables del suelo, tales como capas débiles, mate- rial fisurado, juntas adversamente orientadas, filtra- ción, tubificación, excesiva presión de poro, asenta- mientos, inestabilidad de taludes durante vaciados rápidos en el embalse y deslizamiento de taludes en alguna zona de la presa Factores sísmicos. Se refieren a condiciones de es- tabilidad sísmica de la presa, licuación, grietas indu- cidas por sismos, oleaje por sismo y presión hidro- dinámica Factores estructurales y de construcción. Reúnen diseño estructural inadecuado, malos materiales, errores de construcción y pobre control de calidad Factores operacionales. Integran mantenimiento inapropiado, procedimientos incorrectos de opera- ción, errores humanos y negligencia Otros factores. Implican actos de guerra, sabotaje e impactos accidentales en estructuras (como vehícu- los, embarcaciones etc.).
Estos factores están sujetos a la incertidumbre, pue- den ser diferentes en cada caso y variar en el tiempo y el espacio.
Definiciones Deterioro
A continuación se presentan y comentan algunas defi- niciones de seguridad, durabilidad, deterioro, inciden- te, accidente, riesgo potencial, deterioro, riesgo efecti- vo y riesgo global de falla, todas ellas relacionadas con las presas (COLD, 1989; Silveira, 1990):
Seguridad
Es la capacidad de la estructura, el embalse, y la zona aguas abajo, para llenar los requisitos de comporta- miento, durante la vida útil de la presa, relacionados con aspectos ambientales, estructurales, hidráulicos y operacionales.
Durabilidad
Es la capacidad de la presa para mantenerse a largo plazo; en el caso de estas estructuras adquiere un sig- nificado especial, ya que no se puede construir consi- derando periodos muy prolongados, de esta manera se debe establecer el concepto de vida útil en función del costo de la estructura y la relación beneficio-costo de la misma. Dicha vida útil se fija normalmente en cin- cuenta años para las obras civiles y treinta para el equipo electromecánico, aunque es bien sabido que hay presas en nuestro país y en el mundo con más de cien años de operación.
Se precisa como la pérdida de la capacidad que una estructura tiene para comportarse satisfactoriamente a lo largo de su vida útil.
Riesgo efectivo
Se ha determinado para varias disciplinas como la pro- babilidad de falla en un periodo definido, un año o la vida útil del proyecto; el recíproco del tiempo espera- do para que se presente la falla, el cual está asociado al concepto de periodo de retorno; el costo esperado de falla; el valor actual asociado a la falla; y el costo esperado de falla, o sea el producto de la probabilidad de falla en el periodo analizado, multiplicado por el valor monetario que implique la ocurrencia de la mis- ma, que es el apropiado desde el punto de vista de la ingeniería.
En este trabajo el riesgo efectivo se define como la probabilidad de falla, y sólo en caso que se establez- ca de esa manera, el riesgo efectivo se definirá como el costo esperado de falla en el período de la vida Útil de la presa, que de hecho es como debe conside- rarse.
Riesgo global de falla en presas
Es el riesgo de falla de una presa ante la combinación de varios factores que pueden intervenir para que la misma se presente. Analizar con detalle esta situación requiere sin duda una gran cantidad de información, horas-hombre y tiempo para efectuarla, por lo que tra- dicionalmente los análisis de riesgo se realizan consi- derando las principales causas de falla, según el tipo de presa que se analice.
Las metodologías que actualmente se emplean para la evaluación de este riesgo global de falla son las del árbol de decisiones, la de confiabilidad híbrida y el analítico causa-consecuencia cuyos principios bási- cos se mencionan en otro artículo.
lncidente
Se define como cualquier falla del comportamiento que puede afectar a corto o largo plazo la operación de la presa y que requiera algún trabajo de manteni- miento.
Accidente
Es cualquier ocurrencia excepcional que perjudica el comportamiento de la presa que, de no controlarse, podría causar una falla. Falla
Se agrupan esencialmente en dos tipos (Yen y Ang, 1971): en el primero se involucran daños o cambios de la estructura, Io que le impide funcionar como es dese- ado; la segunda es una falla en el comportamiento de la estructura del sistema y aunque la estructura no se ha alterado, el comportamiento límite de dicho sistema se excede y pueden esperarse consecuencias inde- seables.
Riesgo potencial
Se explica usualmente en función de las consecuen- cias provocadas al ocurrir un accidente, independien- temente de su probabilidad de ocurrencia, evaluándo- se las mismas en función de los requerimientos de eva- cuación, daño potencial, altura de la presa, etcétera.
La falla en presas incluye daños físicos a la estruc- tura de la cortina y a estructuras adicionales, tales como la obra de excedencias, obra de toma, etc. Pue- de comprender desde luego pérdidas de vidas, de propiedades o daños y cambios adversos al medio ambiente, aguas abajo de la presa.
El comportamiento satisfactorio de un sistema como el que forma una presa está gobernado por variables generalizadas de demanda y suministro. Los eventos de falla implican usualmente la unión de la ocurrencia de cargas excesivas y debilidad en la resistencia de la estructura de la presa o posibles errores humanos.
Incertidumbre mencionadas anteriormente.
Se define como la variabilidad de la función analizada en repetidas ocasiones, observaciones o estimacio- nes. AI tratar con incertidumbres en el diseño de es- tructuras hidráulicas Yen y Ang las clasifican en objetivas y subjetivas; las primeras son mesurables o cuantificables, tales como las muestras de datos es- tadísticos y su correspondiente información probabilís- tica. Las incertidumbres subjetivas son aquellas que intervienen para la estimación de los datos y deben manejarse con cierto juicio e intuición; éstas pueden provenir básicamente de las siguientes fuentes:
a) Naturales, asociadas a las fluctuaciones espacia- les inherentes al proceso natural. b) De modelación estructural, el cual refleja la incapacidad de que el sis- tema modelado con la técnica de diseño usada repre- sente el comportamiento físico del fenómeno o proce- so. c) Las generadas con los propios datos que inclu- yen inseguridad y errores de medición, manejo inade- cuado de datos y errores de transcripción. d) Las ope- racionales, debido básicamente a factores humanos, constructivos, de mantenimiento y deterioro.
Hay dos criterios básicos que permiten evaluar el riesgo en falla de un sistema de ingeniería; uno es el seguimiento de fallas históricas en sistemas similares, como se indica en este artículo, el cual en muchas ocasiones puede no ser del todo aplicable por las dife- rentes condiciones entre el caso analizado y los histó-
ricos reportados; esto puede ser muy común en pre- sas, ya que cada sitio difiere en forma importante de otro, aun cuando se tengan condiciones en principio semejantes.
El otro criterio consiste en la simulación, donde se considera el comportamiento de los factores que inter- vienen en el fenómeno y la comprobación probabilísti- ca de éstos para estimar el riesgo de falla del sistema en conjunto.
Este criterio debe tomar en cuenta las incertidum- bres mencionadas anteriormente, y al ser repetitivo permite tener una base comparativa ante diversos es- quemas de diseño o de modificaciones en las presas
Consideraciones de deterioro y falla
Consideraciones de deterioro
En el reporte de Silveira (1990) respecto a la durabili- dad, se recopiló información de grandes presas consi- derando presas en países; los resultados más importantes se decriben en los siguientes dos párrafos
Los casos de deterioro fueron en las presas estudiadas, lo cual revela que varios tipos de problema ocurrieron en la misma estructura; de estos
casos analizados, las de concreto y mamposte- ría corresponden al de los casos, de las cuales el se relacionan con presas de concreto y con presas de mampostería, mientras que las presas de tierra y enrocamiento ocupan un de los ca- sos de deterioro, del cual el son en presas de tie- rra y el restante de enrocamiento.
En relación con la altura, a las presas de entre y m les corresponden los mayores porcentajes de pre-
sas deterioradas de tierra y enrocamiento. El gran dete- rioro en presas de concreto y mampostería se presen- ta para aquellas entre y m. Cabe hacer notar también el alto nivel de deterioro en presas de más de
m de altura sin que se hayan presentado fallas. El deslizamiento de taludes es la principal causa del de- terioro en el embalse y la zona aguas abajo de la presa.
Consideraciones de falla
En cuanto a fallas se refiere, Silveira (1990) hizo las siguientes consideraciones:
Se adoptaron cuatro tipo de presas de concreto gravedad (G), mampostería (M), arco y arcos múltiples (A), y contrafuertes (C) y dos tipos de materiales suel- tos; tierra (T) y enrocamiento (E).
Se analizaron nueve periodos de construcción; an- tes de
(cuadro 3). Se incluyeron cinco clasificaciones por altura;
menor a m, m, m y más de m (cuadro 4).
Cabe señalar que están reportadas presas menores a m de altura, pero se catalogan como grandes pre- sas por la definición señalada en el punto de generali- dades.
Se consideraron también cuatro periodos para defi- nir el momento en que ocurren las fallas; durante la construcción, en el primer llenado, en los primeros cin- co años de operación o después de los primeros cinco años de operación.
Se encontraron casos de fallas totales reporta- das, las cuales se señalan en la ilustración donde las obras accesorias (insuficiencia del vertedor y fallas en obras de toma) tienen un de los casos (36% en el caso de presas de tierra y enrocamiento y para las presas de concreto), el de las fallas se repor- tan para el comportamiento del cuerpo de la cortina (22% a las de tierra y enrocamiento y a las de con- creto), las fallas por causas en la cimentación compuesta en un de las fallas de presas de con- creto y para las de tierra y enrocamiento.
Se tiene también un de fallas debido a una combinación de factores; en presas de tierra y enrocamiento y en las de concreto.
Parámetros de referencia
La finalidad de mostrar ciertos parámetros de referen- cia, es el hecho de tener algunos índices o valores de
probabilidades de falla de casos históricos (totales y por periodo de falla de las presas) que permitan tener un punto de comparación con Io sucedido histórica- mente al hacer un análisis teórico de falla en presas construidas o por construirse.
Índice de referencia por periodo de terminación de la presa
El cuadro muestra un índice de referencia al periodo de terminación de las presas (Silveira, 1990):
Este índice RF permite determinar la probabilidad de falla en presas de cierto tipo pertenecientes a un gru- po dado. De hecho se tiene:
donde:
probabilidad de falla en el grupo específico g. coeficiente RF relacionado con un grupo de presas de cierto tipo = (por ciento de presas con fallas en el grupo ciento de presas del grupo g.
Probabilidades de falla de casos históricos (fallas considerando la época de construcción)
Para comprobar esta probabilidad de falla refiriéndola a la época en que se construyeron las presas, se debe recurrir a los datos de frecuencia de fallas por presa y por año que se obtienen al considerar la muestra de
grandes presas antes señalada, y la edad pro- medio de la presa cuando se presentó la falla.
Londé (1993) para obtener estos valores consideró tres periodos de construcción; antes de
y para los que obtuvo los resultados señalados en el cuadro y en la figura
AI tomar en cuenta la tendencia de las fallas a lo lar- go del tiempo, en el cual en los últimos años la ten- dencia de que éstas se presenten es marcadamente reducida, se puede concluir que los valores de proba- bilidad de falla que se pueden aceptar para presas construidas en nuestros días es de
Estos son los parámetros de referencia que deben tomarse en cuenta para hacer un análisis de riesgo de falla en presas ya construidas o por construirse.
NtF número de fallas totales (igual 107). NtE número total de presas (igual 800).
En este cuadro se puede observar que las presas de tierra y enrocamiento que están entre y m tienen el mayor número de fallas, así como las que se construyeron en el periodo de 1900-1919; en cuanto a las presas de concreto y mampostería la mayor in- cidencia de falla se tiene para las presas entre y
m así como para las construidas en el periodo
Probabilidades de falla de casos históricos (fallas totales)
Con objeto de tener parámetros de referencia al hacer un análisis teórico del riesgo de falla en presas, con- viene conocer cuáles son los valores de probabilidad que han presentado los casos históricos asociados a diversas causas y definir así los valores que se pueden considerar aceptables.
En forma simplista, si se considera un promedio de vida de las grandes presas de setenta años, se tiene una probabilidad de falla por presa por año de:
Dicho de otro modo, en el mundo se tiene la falla de una presa cada años; esto significa que consi- derando las presas existentes, se presentan diez fallas por año. AI tomar en cuenta sólo las grandes presas reportadas, al menos una vez al año se presenta la falla de una de ellas.
AI revisar cada tipo de presa y las principales cau- sas de falla presentadas, se tienen por año los valores señalados en el cuadro
La probabilidad de falla que se observa al conside- rar todas las causas de falla en presas de concreto y mampostería es de x y en las de tierra y enro- camiento de x
das), evaluaciones deficientes de los gastos picos du- rante la construcción, demoras durante la misma y operación deficiente o problemas con el equipo de descarga.
El cuadro indica la distribución de los casos de falla por desbordamiento por periodo de terminación, altura y periodo de ocurrencia de falla. Esta tabla muestra que las fallas en presas de tierra y enroca- miento son casi constantes en número por década.
Se muestra también que en las Últimas décadas las presas de concreto y mampostería no han fallado por desbordamiento, lo cual indica que en este aspecto son mucho más seguras que las de tierra y enroca- miento. De los datos mencionados se puede señalar Io siguiente:
Las presas de tierra y enrocamiento presentan la relación más alta de falla debido a desbordamien- tos, presentando una de incidencia más o menos constante por década. Las presas de concreto y mampostería sólo han re- gistrado una falla en los últimos años. Sólo dos bloques de apoyo de presas de arco han fallado por desbordamiento y únicamente un arco con cimentación deficiente falló por la misma causa
Fallas por desbordamiento
En cuanto a fallas desbordamiento (Marengo, únicamente se puede determinar que de las que se presentaron se tuvieron casos = de las presas existentes). Dicho desbordamiento se debió a la escasa capacidad del vertedor (usualmen- te atribuible a estimaciones inapropiadas de las aveni-
de tierra y enrocamiento es de treinta, lo cual recalca la gran importancia del desbordamiento ante un fun- cionamiento hidráulico deficiente en este tipo de pre- sas. Los casos de deterioro (funcionamiento hi- dráulico deficiente) se pueden distribuir por tipo de presa (tomando como referencia el cuadro como se indica en el cuadro
La relación de fallas por desbordamiento en presas de tierra y enrocamiento considerando incidentes hi- dráulicos es de 43/88 = y en las de concreto y mampostería de lo cual, como ya se se- ñaló, indica que las presas de concreto son más resis- tentes al desbordamiento. AI considerar las distintas
durante la construcción. Todos los arcos han resisti- fallas en presas, se puede llegar a las siguientes con- do este factor de destrucción. clusiones: La tabla permite observar que de las fallas por desbordamiento ocurrieron durante la construc- Se debe prestar gran atención a las avenidas que ción, de tierra y enrocamiento y dos de concreto pueden incidir realmente en una presa en particular, gravedad. De los otros casos de falla por esta y revisar cuidadosa y detalladamente las presas ya causa, al menos siete fueron por un mal funciona- construidas, ya que el mayor número de fallas ocu- miento de compuertas y cinco por haber fallado una rren por insuficiencia en el vertedor. presa aguas arriba. Estas situaciones, así como el Debido a la gran incidencia en el deterioro en el número de fallas que se debieron a una subestima- cuerpo de la cortina y a la cimentación por percola- ción de la avenida de diseño, son sujetos de futuras ción y erosión interna de la misma, es necesario investigaciones. incrementar significativamente los tratamientos,
inyecciones y reparaciones de filtros. Una posible explicación de que sólo se haya pre- En los embalses y zonas aguas abajo de las presas,
sentado una falla total en presas de más de m es debe darse gran atención a la regularización, pro- que, para grandes presas, se tiene un gran cuidado en tección y refuerzo de drenes para evitar desliza- el diseño, estimación de avenidas y operación de com- miento de taludes. puertas.
La distribución de fallas de presas después de haber efectuado el primer llenado (32 de tierra y enro- camiento y de concreto), se muestra en la tabla
Con objeto de recalcar la importancia de la seguri- dad en presas con relación al desbordamiento, es im- portante analizar los casos en que no necesariamente se presentaron fallas totales, pero que incidieron en des bordamientos.
De las I presas reportadas, el (145 casos) fueron por factores hidráulicos relacionados con el desbordamiento, de los cuales casos presentaron una falla total y incidentes produjeron destrucción parcial de las presas.
Del total de los casos se tuvieron casos de fallas totales, es decir = mientras que de los casos por desbordamiento, se tuvieron
fallas totales en presas de tierra y enrocamiento y en presas de concreto y mampostería, o sea una re-
lación = para las primeras y = en las segundas; mientras que el porcentaje de
fallas totales en todos los casos analizados es de el porcentaje de fallas por desbordamiento en presas
En obras accesorias es necesario incrementar el monitoreo, la construcción de drenajes y filtros, y su reparación en las diversas estructuras.
El resumen del análisis para el total de casos de deterioro o funcionamiento deficiente (que incluyen los casos de falla), muestra la distribución indicada en el cuadro
Otros estudios
Del análisis de Lebreton donde se revisan los accidentes en presas en el periodo de a se puede destacar lo siguiente.
Las causas de falla en cortinas de tierra y enroca- miento para el periodo analizado muestran que, para el total de los casos, el es por desbordamientos; para presas de menos de m de altura, la mayoría de las fallas (69%) ocurren por el paso de una avenida sobre la misma, y el porcentaje para presas de más de
m es de 55.5%; otra causa importante es la tubifi- cación (23% para el total de presas, para las de menos de m y para las de más de m) y el deslizamiento de taludes (incluyendo el efecto sísmi- co) siendo un para el total de los casos, un para las de menos de m y un de los casos para las de más de m de altura, datos que se mues- tran en el cuadro l i .
En presas de más de m, el de las fallas se producen durante la construcción, el en el primer llenado y durante los primeros cinco años y el res- tante durante el tiempo de servicio de la presa. Esta última proporción es bastante más elevada en las pre- sas de menos de m de altura, con un cuando las presas están en servicio, como se muestra en el cuadro
Para estimar el futuro comportamiento de las fallas, Lebreton (1985) usó la distribución tipo Poisson cuya expresión teórica es:
Se consideró una muestra de veinte años 1983) que es el periodo estudiado. Según el autor, la vida Útil de una presa es del orden de sesenta a seten- ta años. De esta manera se llega a las conlusiones expuestas en los siguientes párrafos.
Se puede esperar para el futuro en presas mayores de m (con fallas y una muestra de veinte años que da como resultado una media v = 41/20 = 05) que un de los años serán sin accidentes, con uno, con dos, con tres, con cuatro,
con cinco y con más de cinco años. Tomando en cuenta las fallas durante la construc-
ción y el primer llenado (cuadro en la que se regis- tran veinte fallas detectadas; doce de construcción y ocho correspondientes al primer llenado, en un perio- do de doce años de construcción v = 12/12 = las probabilidades de falla durante el primer llenado se- rían de un de que no suceda ninguna falla, que ocurra una, que se susciten dos, que sucedan tres y entre y que sucedan más de tres.
Para el periodo analizado, en cuanto al comporta- miento de las fallas a futuro (62 fallas en un periodo de sesenta años v = 62/60 E se puede decir que se tiene un de probabilidades de que no suceda nin- guna, que sobrevenga una falla, que pasen
dos, que ocurran tres y y que se produzcan más de tres. El resumen del cálculo se muestra en el cuadro
Adicionalmente, Lebreton concluyó que las zonas geográficas revelan que la mayoría de los accidentes se han .reportado en los Estados Unidos de América, EUA; la frecuencia de falla en cortinas de tierra y enro- camiento en servicio es cuatro veces más elevada que en las de concreto y mampostería O contra
000) lo que explica, por lo menos en parte, la diferencia de fallas entre EUA y Europa; el número más grande de vidas humanas perdidas (cuadro 14) se produjo en las presas de tierra y enrocamiento (7 el mayor desastre se presentó en la India (2 per- sonas).
Las fallas de presas de concreto y mampostería han ocasionado víctimas y personas perdi- das, lo que da un promedio de víctimas por acci- dente, como se muestra en el cuadro
De este análisis, se puede desprender por consi- guiente, que:
Para los próximos años no tienen por qué seguir estas tendencias del pasado, puesto que las fallas deben reducirse significativamente debido a que las medidas de seguridad se han incrementado en forma importante en los últimos años. Las principales causas de falla en grandes presas comprenden el paso de avenidas sobre la cortina e insuficiencia en el vertedor, con un de fallas;
por tubificación y por deslizamiento de talu- des incluyendo el efecto sísmico.
El desbordamiento de presas de tierra y enroca- miento es la principal causa de falla de este tipo de estructuras; el mismo se ha atribuido a la escasez de la capacidad del vertedor, deficiente evaluación del gasto pico de entrada y desperfectos de los equipos que operan el vertedor.
Conclusiones
El mayor número de deterioros ocurre en las presas de tierra y enrocamiento.
Este tipo de presas muestran la mayor incidencia en cuanto a fallas se refiere. La principal causa de falla en las mismas es el desbordamiento ante avenidas, ya que de casos de falla por esta causa, ocurrieron en presas de tierra y enrocamiento y en presas de concreto.
Las probabilidades más grandes de que las fallas se presenten en este tipo de presas ocurren en aque- llas construidas entre y con alturas entre y metros.
Ante las fallas por desbordamiento, cabe señalar que es muy urgente revisar las presas en construcción y operación que no hayan tomado en cuenta para el análisis una base de riesgo de falla.
Las principales causas de falla en presas de tierra y enrocamiento son las siguientes: en cortinas de tierra y enrocamiento, el son por desbordamientos; para presas de menos de m de altura, la mayoría de las fallas (69%) ocurren también por el paso de aveni- das. Esta causa y el porcentaje para presas de más de
es de por ciento. Se requiere establecer un criterio que permita iden-
tificar a las presas que presentan un riesgo alto de falla potencial, identificando aquellas donde se refiere hacer un análisis de riesgo detallado.
La práctica usual, en cuanto al diseño, refleja una gran diversidad de opiniones referentes a la clasifica- ción y evaluación de la seguridad de presas en lo -que a avenidas se refiere, por lo que es necesaria una mayor uniformidad- en cuanto a normas de seguridad, tamaños, riesgo aceptable Y criterios de diseño en pre- sas por construirse.
Es necesario formular una metodología que permita en forma sistemática y cuantitativa evaluar el riesgo de falla en presas de tierra y enrocamiento para el caso de avenidas.
Se pueden utilizar los parámetros de referencia (ín- dices y probabilidades de falla asociadas a casos
análisis teóricos de presas construidas o por cons- truirse.
Como opinión personal, en obras de desvío debe establecerse en forma sistemática para el diseño, la evaluación de la obra tomando como punto de partida una base de riesgo.
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Fe de erratas
Por un lamentable descuido en la producción editorial, las palabras clave en inglés que se le asignaron a la nota técnica La controversia de la doble columna, un homenaje a Enzo Levi (Vol. XI, Núm. II Época, enero-abril de 1996) no le corresponden.
Errata
A comentable printer’s error resulted in the appearance of key words that did not correspond to the technical note The Double Column Enigma, an Homage to Enzo Levi.
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Dice: Says: Key words: water quality, mathematical models, simulation, distribution network, drinking water, computer programs, algorithhms on graphs.
Debe decir: Should say: Key words: The Water According Science, Newton’s Second Law, Bernoulli’s Theorem, Torricelli’s Principia, water flow, double column, energy conservation principle.