Modelización en la ingeniería: Presa de Oroville

La recreación por ordenador del comportamiento de infraestructuras ante agentes externos excepcionales es todavía, a día de hoy, insuficientemente fiable para ser el único pilar en que se sostenga la relación coeficiente de seguridad y economía en la inversión.

Es necesario seguir recurriendo a la modelización a escala de la infraestructura y el fenómeno que la pueda afectar.

Un ejemplo de esta praxis es la presa de Oroville en California (Estados Unidos). Terminada de construir en 1968, en febrero de 2017, unas lluvias torrenciales supusieron la evacuación de más de 180.000 personas por los daños causados a los desagües, principal y secundario de la presa, si bien no se produjo el colapso. 

A raiz del suceso se encargó acometer las obras de adecuación necesarias que permitieran, si era posible, evitar la demolición de la presa, en otras palabras, salvarla de la ruina . Para ello, se decidió en primer lugar recrear la estructura del desagüe tal y como había quedado tras las lluvias. La Universidad de Utah ha desarrollado un impresionante modelo a escala 1:50  del desagüe de la presa. La escala supone que la “maqueta” tiene nada menos que  30 metros de largo y casi 20 metros de ancho y replica el estado actual de la estructura dañada. Por ejemplo, las condiciones del terreno producidas por las lluvias de febrero. Ahora, el equipo de ingenieros de la Universidad de Utah miden los distintos parámetros del flujo circulante por el desagüe ante diversas recreaciones pluviométricas.

A pesar del coste de construcción de la recreación (toda una obra en si misma), el estudio hidráulico de la miniatura permitirá optimizar completamente la reparación de la presa.

Para replicar el desagüe dañado el equipo de ingenieros midió con láser la presa original para replicar la erosión sufrida por las lluvias. De esta forma el modelo puede predecir qué sucederá si una tormenta ataca la estructura mientras tienen lugar las reparaciones, o si estas no llegan a tiempo antes de la próxima estación de lluvias.

La maqueta también servirá para probar una nueva característica que se añadirá al desagüe durante las reparaciones: ranuras de ventilación. Se trata de agujeros en el hormigón que evitan la cavitación, un proceso que puede erosionar el material en caso de un flujo alto de agua. Estas ranuras ya han sido añadidas a otras presas como medida de seguridad.

En el análisis y diseño de infraestructuras  hidráulicas,  especialmente en presas, la utilización de modelos reducidos es práctica habitual. La razón estriba en que  es imposible analizar elementos como la turbulencia del agua con modelos numéricos. Y los modelos que sí se aplicanpara el cálculo de estos fenómenos en situaciones o construcciones más simples han sido a su vez obtenidos empíricamente de construcciones precedentes o de modelos reducidos.

Os dejamos enlace con el vídeo de una de las pruebas realizadas en el modelo reducido del desagüe de la presa de Oroville: ver video

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EXCAVACIÓN DE SÓTANOS Y NIVEL FREÁTICO EN EL CENTRO DE VALENCIA

La excavación de sótanos en zonas urbanas presenta una doble complejidad en relación a la presencia de agua en el subsuelo. Al igual que en todas las construcciones en presencia de nivel freático , en la fase de ejecución se precisará el agotamiento de la excavación y una vez construido el sótano y dependiendo de la distancia a la cota piezométrica del nivel freático, puede ser necesario el alivio de las subpresiones mediante un bombeo constante. Pero si además la obra linda con construcciones o infraestructuras existentes se deben considerar las alteraciones en el nivel freático introducidas por los bombeos de agotamiento o alivio para evitar afecciones a las mismas.

Nivel freático en el centro de Valencia

En gran parte del núcleo urbano de Valencia se detecta la presencia de dos acuíferos diferentes separados por un estrato arcilloso con una potencia que oscila entre los 5 y 13 metros. Los niveles piezométricos de ambos acuíferos varían, pero se puede considerar que el mas superficial arranca entre las contas -6 / -10 m hasta la -20 / -22 m. El acuífero más profundo empezaría entre -a cota -30 /-35 y encuentra su suelo alrededor de la cota -50 m. Pero la característica más reseñable de este segundo acuífero es que su nivel piezométrico es sensiblemente similar al del primer acuífero, en algunas zonas incluso superior.

Entre ambos acuíferos hay un “tapón” de arcillas, impermeable, que propicia que geológicamente ambos acuíferos no estén conectados. ¿Qué significa esta circunstancia? Que en un momento dado, en una excavación de un sótano confinada entre pantallas, se puede extraer agua de cualquiera de ambos acuíferos sin alterar el nivel piezométrico del otro acuífero. Pero también implica que si se obvia esta circunstancia y se construye un pozo de alivio de subpresiones de una losa que apoye en el primer estrato de manera que se conecte con el segundo acuífero, no se conseguirá el objetivo pues estaremos dejando indemne el nivel del primer acuífero y drenando el segundo.

Por tanto, el Estudio Geotécnico es insuficiente para determinar la solución constructiva válida para la excavación y construcción de un sótano profundo. Es preciso realizar un estudio del comportamiento de los acuíferos ante un bombeo de caudal para calcular adecuadamente el alivio de presiones que puede obtenerse.

Así, el primer paso recomendable es ubicar con exactitud las cotas de los diferentes estratos en el solar, y medir los niveles piezométricos, a ser posible en la misma estación del año en la que se va a acometer la construcción y en condiciones pluviométricas análogas (o bien extender el alcance del estudio y abarcar todas las posibilidades).

Lo siguiente es ejecutar pozos de bombeo para el trabajo de campo. Unos pueden ser provisionales (en el sentido de que solo serán usados para el estudio) y otros serán los que se aprovechen después para el alivio de las subpresiones. Unos pozos llegarán solo hasta el primer acuífero, para estudiar sus parámetros, mientas que otros llegarán hasta el segundo acuífero (suponiendo, evidentemente, que la profundidad de sótano a construir sea tal que precise el estudio de este segundo estrato). En la ejecución de estos segundos pozos se debe evitar que se produzca la conexión hidraulica entre ambos estratos saturados, encamisando adecuadamente la perforación.

Ensayos de bombeo

Se realizarán varios ensayos de bombeo, a diferentes caudales constantes durante el ensayo. Se miden en primer lugar los niveles de agua, tanto en el interior del pozo desde el que se va a bombear como en el resto de los pozos, que actúan en ese momento como piezómetros para la medición del descenso de niveles.  Se mide la profundidad a la que están dichos niveles y por diferencia con los niveles iniciales, se obtienen las depresiones producidas en el propio pozo y en los demás utilizados como piezómetros debidas al bombeo del caudal constante Q en ese pozo.

Con los valores de las depresiones, caudal de bombeo y distancias entre pozo y piezómetros, se procede a interpretar el ensayo pudiendo obtenerse un valor medio de la transmisividad (T).

La prueba y el análisis de la  hidráulica de cada pozo permite en consecuencia obtener el caudal máximo que puede extraerse de cada uno de ellos hasta alcanzar su agotamiento.

Una vez que se ha comprobado que los diferentes descensos medidos son proporcionales a los caudales extraídos se procede a estimar el descenso en el entorno del pozo y en el resto de puntos de estudio. Para ello se puede aplicar la formulación de Thiem tomando como origen el centro de cada pozo de bombeo.

Optimización de equipos de bombeo

Una vez concluido el estudio de alivio de presiones, es menester proceder a la elección de las bombas a disponer. Llegados a este punto nos hemos encontrado en varias ocasiones con que la Propiedad de la Obra ordena disponer las bombas mas potentes del mercado, entienden que el riesgo de ruina por subpresiones compensa una inversión fuerte en equipos de bombeo. Pero no es cuestión de poner la bomba más potente y con ello tener garantía de
extraer cualquier caudal pues conlleva el riesgo de que (y a pesar de las regulaciones de caudal logradas a base de cerrar válvulas) puede  agotarse el pozo y quemarse la bomba al trabajar en vacío. Tampoco es totalmente seguro introducir una sonda que regule la puesta en marcha de la bomba, pues al parar se elevaría automáticamente la presión del acuífero con la consiguiente pérdida de seguridad para la obra. Es decir, se debe calcular y optimizar adecuadamente los equipos de bombeo a colocar.

En conclusión diremos que es totalmente indispensable complementar el estudio geotécnico con un estudio de ingeniería que contemple el análisis de los acuíferos y sus niveles, se realicen e interpreten ensayos de bombeo y se calculen las bombas de agotamiento para la excavación y de alivio de subpresiones.