Investigación en seguridad de presas y aliviaderos (III)

El presente post pretende continuar con la línea de los presentados en los pasados meses de febrero y marzo de este año en los que se expuso, de forma muy general, los avances en investigación en seguridad de presas y aliviaderos en España realizados por el Grupo de Seguridad de Presas y Aliviaderos (SERPA) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) y el Centro Internacional de Métodos Numéricos para la Ingeniería (CIMNE) bajo el paraguas de diferentes convocatorias del Plan Nacional de Investigación Científica financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO).

La idea es comenzar una serie donde se introduzcan con más detalles los proyectos en marcha en cada una de las tres líneas de investigación expuestas en los anteriores post:

– Aliviaderos: Aumento de su capacidad en presas existentes y tipologías no convencionales.

– Mecanismos de rotura de presas de materiales sueltos y sistemas de protección para mejorar su seguridad.

– Análisis del comportamiento de presas y evaluación de su seguridad con el apoyo de técnicas de inteligencia artificial.

Así, en el caso que nos ocupa comenzamos una serie de tres o cuatro entradas en las que se va a introducir la tecnología de bloques prefabricados en forma de cuña (wedge shaped block, por sus siglas en inglés WSB). Esta se encuentra a caballo entre la línea de investigación en aliviaderos no convencionales y los sistemas de protección de presas de materiales sueltos frente al sobrevertido y se han ejecutado ya con éxito varios aliviaderos de esta tipología (en Reino Unido, Estados Unidos y España) en infraestructuras (presas o balsas) en servicio, bien como estructura de evacuación de caudales auxiliar o como aliviadero principal En esta primera publicación sobre el fundamento y el estado del arte de la tecnología, dividida a su vez en dos partes, repasaremos el fundamento y el estado del arte de la tecnología para en posteriores artículos detallar los trabajos que se están realizando actualmente es este campo y los resultados novedosos más destacables.

Necesidad de las protecciones frente al sobrevertido

La reciente celebración del Seminario Internacional Protections 2016 en la Universidad de Colorado State y con el auspicio de una institución con arraigada tradición en ingeniería de presas como el Bureau of Reclamation de los Estados Unidos ha puesto de manifiesto varios hechos hechos:

– El éxito de su primera edición, organizada hace dos años en Madrid por el Grupo de Seguridad de Presas y Aliviaderos (SERPA) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) y el Centro Internacional de Métodos Numéricos para la Ingeniería (CIMNE) y promovida por el Comité Nacional de Grandes Presas (SPANCOLD) y el Centro de Estudios Hidrográficos del CEDEX, y

– Como aspecto fundamental, la necesidad de soluciones “innovadoras”, optimizadas técnico y económicamente, a ejecutar en presas y balsas como elemento de mitigación y protección frente a acciones del cambio climático, entendiendo los eventos hidrológicos extremos o avenidas, cada vez más frecuentes, como tales acciones. Y en este aspecto realizando un especial hincapié en las estructuras con más riesgo frente al sobrevertido, las llamadas presas de tierra o materiales sueltos

– La demostración de la validez de varias de estas soluciones “innovadoras”, entre las cuales se encuentran los bloques en forma de cuña o  WSBs.

Debe resaltarse en primer lugar que España ocupa actualmente un puesto destacado en el desarrollo de la tecnología de WSBs habiendo presentado diversas ponencias en el Seminario Protections 2016 a cargo de los miembros de los equipos de los organismos de investigación mencionados con anterioridad.

En cualquier caso debe indicarse que está tecnología aunque novedosa no es reciente, teniendo un recorrido amplio desde los años 60 del siglo pasado con diferentes momentos en los que se han impulsado las investigaciones sobre la misma.

Así, se la considera a día de hoy una tecnología madura para su uso como protección frente al sobrevertido o aliviaderos en pequeñas presas de materiales sueltos o balsas, dado que como vamos a ver se ha demostrado su fiabilidad práctica. Las investigaciones en curso (España) tienen como objetivo completar los conocimientos teóricos, mejorar los criterios de diseño actuales y hacer de esta tecnología una opción más a considerar dentro de las habituales en el diseño de un aliviadero de un dique de tierras.

Fundamentos de la tecnología

La estabilidad de los bloques en forma de cuña se basa en la presión positiva del agua impactando sobre la cara superior de cada bloque, la superposición entre ellos, y el desarrollo de presiones negativas generadas en la contrahuella del escalón que por un lado pueden transmitirse siendo capaces de provocar succión en la base y/o extraer agua de la capa de drenaje (que se sitúa siempre entre los WSB y el espaldón sobre el que se colocan) reduciendo la subpresión bajo los bloques (figura 1)

Estado del arte

Los primeros trabajos con este tipo de protección comenzaron en los años 60 en el Instituto de Ingeniería Civil de Moscú (Rusia). El profesor Y. Pravdivets (1981) fue uno de los pioneros en este campo.

Los soviéticos establecieron los primeros parámetros de diseño en esta tecnología y construyeron varias instalaciones experimentales en lo que ellos denominan “State Farms” en las que realizaron diversas pruebas, en su mayor parte exitosas. Solo se conoce un caso de fallo, la presa de Jelyevski, y fue debido al colapso de su cimiento (es decir, los bloques no fallaron)

En las décadas posteriores el profesor Raymond Baker, de la Universidad de Salford (Reino Unido), continúa el desarrollo de la tecnología con nuevos estudios (1992-1995) que culminan con la construcción de un prototipo en la presa de Brushes Clough (Greater Manchester) (Baker&Gardiner, 1995) y la redacción del primer manual de diseño de esta tecnología publicado por el Construction Industry Research and InformationAssociation (CIRIA) (Hewlett et al., 1997).

El US Bureau of Reclamation realizó pruebas físicas en la Universidad Estatal de Colorado, en Fort Collins, con una pendiente de 2:1 y un caudal unitario máximo de 4 m2/s (Thorton 2006 y Frizell 2007). A partir de estas experiencias se presentó en el año 2006 una patente de WSB en Estados Unidos (Armorwedge^TM) en poder de la empresa Armortec, Inc.

De forma previa a las pruebas del Bureau ya existían, como se ha comentado, algunos aliviaderos conformados por WSB en el mundo, la mayoría de ellos en Rusia y los Estados Unidos, prototipos y obras menores.

En 2007 se construyo la primera presa con un aliviadero en servicio de bloques en forma de cuña, fue ejecutada en Burgos, España: la presa de Barriga (Morán, R., & Toledo, M. A. 2014).

Tras la ejecución de las obras de la presa de Barriga, se han llevado a cabo la construcción de la balsa de laminación de avenidas de Norton Fitzwaren (Morton et al, 2008) y de los aliviaderos auxiliares de las presas de Bruton (Pether, Estero, &Cartwright, 2009), y de Ogden (Thonsom, 2014), todas ellas en el Reino Unido; así como el aliviadero auxiliar del embalse de Friendship Village en Missouri, EE.UU. (FEMA, 2014).

Debe destacarse que en 2014 la U.S. Federal Emergency Management Agency (FEMA) ha publicado una Guía sobre protecciones de presas frente al sobrevertido (ojo, no solo WSBs sino todo tipo de protecciones) en la que se incluye esta tecnología y en la que ha colaborado la Universidad Politécnica de Madrid a través de su Grupo de Investigación en Seguridad de Presas y Aliviaderos (SERPA).

Así mismo, en la primera década del siglo XXI el profesor Pinheiro del Instituto Superior Técnico de Lisboa tutela dos trabajos doctorales centrados en WSBs. El primero centrado en el aspecto económico del ahorro de este tipo de aliviaderos con respecto a un aliviadero de tipología convencional (Custodio en el 2000 realizó la comparación entre disponer aliviaderos convencionales o de WSB en tres presas portuguesas de entre 15 y 25 metros de altura) y el segundo en avances respecto al cálculo hidráulico de dichos aliviaderos (Relvas 2008). Ambos trabajos presentan avances que pueden considerarse ya de cierto detalle en referencia a los WSBs.

A partir de 2011 comienzan “oficialmente” los trabajos de investigación en España (que realmente tienen su germen en la construcción de la presa de Barriga) liderados por el consorcio PREHORQUI S.A.&CIMNE&U.P.M. y financiados por el Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO) a través de los proyectos ACUÑA (IPT-2011-0997-020000, en el que también participó la empresa ALATEC) y DIABLO (RTC-2014-2081-5, en el que también participa la empresa DACARTEC), con apoyo adicional del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) de la Comisión Europea en el primero de ellos. 

En estos trabajos se están desarrollando nuevas investigaciones y se ha generado una nueva patente de bloque que pretende mejorar las prestaciones del norteamericano. El detalle sobre los mismos lo veremos más adelante, en post posteriores. 

A continuación puedes leer los artículos anteriores relacionados con esta materia:

– Investigación en seguridad de presas y aliviaderos (I)

– Investigación en seguridad de presas y aliviaderos (II)

Autor: Francisco Javier Caballero, profesor del Máster en Diseño, Construcción y Explotación de Obras Hidráulicas