1. INTRODUCCIÓN
Hay aproximadamente 50 000 represas en los Estados Unidos, el 40% de las cuales han sido clasificadas en caso de fallas como potencialmente peligrosas para la vida y la propiedad (23). Las pocas fallas documentadas en las presas de tierra han mostrado un común denominador sorprendente: la falla no es instantánea. Por ejemplo, en el caso de desbordamiento, se formará una brecha y crecerá gradualmente bajo la acción erosiva de las aguas. Esta falla gradual de una presa de tierra es de particular interés para el personal del encargado de defensa civil en casos de desastre, porque la tasa de crecimiento de la brecha influye fuertemente en el pico y la forma de la onda de inundación. En este caso, la falla gradual debe contrastarse con la falla instantánea comúnmente asumida, pues la primera dura unas horas en la mayoría de los casos. El objetivo de este artículo es presentar un modelo matemático de la falla gradual de una presa de tierra. El cuerpo principal del artículo contiene una revisión de la literatura pertinente y una descripción de la formulación del modelo. El modelo matemático se prueba utilizando datos de la falla de la presa Huaccoto, que ocurrió en el centro del Perú en junio de 1974.
El objetivo es lograr una simulación física realista de la falla gradual de un terraplén de tierra causada por un evento de desbordamiento por inundación. El enfoque que aquí se presenta es probablemente el primer intento de solucionar este problema dentro del marco de una técnica de solución numérica implícita. La técnica implícita resuelve los tirantes de flujo del agua simultáneamente en todas las secciones transversales mediante intervalos de tiempo. Hay una gran cantidad de investigaciones que cubren el caso de falla instantánea de una presa. Hacemos referencia a los artículos de Ritter (16), Dressler (5) y Whitham (25), para nombrar algunos. La falla instantánea provoca una onda positiva en la dirección aguas abajo y una onda negativa en la dirección aguas arriba. Como lo demuestra el artículo reciente de Brown y Rogers (1), es probable que tal suposición esté muy lejos de la realidad en el caso de una brecha gradual. En su investigación de la falla de la presa Teton, Brown y Rogers documentaron una sección de control que se formó aguas arriba de la brecha y describieron cómo el nivel del embalse descendió uniformemente aguas arriba de esta sección, evitando que la onda negativa se propagara aguas arriba. La duración de la brecha de Teton fue de aproximadamente 3 horas. El trabajo de Cristofano es quizás el primer intento de simular el desarrollo de una brecha en una presa de tierra. Utilizando principios geotécnicos, Cristofano equiparó la fuerza del agua que fluye a través de la brecha con la resistencia al corte que actúa sobre la superficie inferior del canal de desbordamiento. De esta manera, pudo relacionar la velocidad de erosión con la velocidad del agua que fluye a través del canal de desbordamiento. Este análisis condujo a una ecuación algebraica que relaciona la cantidad de material erosionado con el flujo de agua a través de la brecha.
Cristofano asumió que el ancho superior de la brecha se mantendría constante a lo largo del tiempo y que la brecha mantendría una forma trapezoidal durante todo el proceso de falla. Además, fijó las pendientes laterales de la brecha igual al ángulo de reposo del material del banco y la pendiente del fondo del canal de desbordamiento igual al ángulo de fricción del material del lecho. Sin embargo, el uso de una constante arbitraria en la fórmula de Cristofano la vuelve, en efecto, empírica.
A finales de la década de 1950,
la Estación Experimental de Vías Navegables del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos (WES) utilizó modelos físicos para llevar a cabo una investigación exhaustiva de las inundaciones resultantes de presas con roturas instantáneas
Los hallazgos de WES no se aplican al caso de la rotura gradual de una presa de tierra. Prince et al. (15) de TVA han informado sobre modelos que utilizan las relaciones para rupturas instantáneas de presas desarrolladas por WES. No aplican sus modelos a presas de tierra, sino a fallas instantánea de grandes presas de gravedad. Su y Barnes (20) estudiaron los efectos geométricos y de fricción de las roturas instantáneas y concluyeron que tanto la resistencia como la forma de la sección transversal eran importantes para determinar el comportamiento de las ondas causadas por roturas instantáneas. Brown y Rogers (1) desarrollaron un modelo computacional basado en trabajos anteriores de Harris y Wagner (9), en el que se utilizó la fórmula de Schoklitsch para calcular el sedimento en suspensión. Estos autores consideraron la falla de una presa de tierra inmediatamente después del desborde, la degradación de la brecha y la erosión completa al nivel del lecho original. Brown y Rogers hacen varias observaciones bastante lúcidas con respecto a la mecánica del desarrollo de la brecha, señalando la necesidad de incorporar la erosión lateral en la simulación. También abordan algunas de las diferencias en los modos de falla para presas de tierra excepcionalmente altas, en comparación con terraplenes largos y bajos. Además, señalan que la mayor parte del material erosionado de la brecha se deposita casi inmediatamente aguas abajo de la presa, lo que afecta los tirantes de agua y el hidrograma de salida. Fread (7) ha contribuido sustancialmente a modelar los fenómenos de ruptura de presas en los últimos años. Su tesis doctoral trató sobre un modelo de rotura de presa que utilizó el método de las características como su esquema de solución numérica. La versión más actual del modelo de Fread utiliza el esquema implícito de diferencias finitas de cuatro puntos (8). Fread asume que la tasa de crecimiento de la brecha depende del tiempo, con forma rectangular, triangular o trapezoidal. Para lograrlo, considera que la erosión vertical se produce a un ritmo constante y predeterminado. Este supuesto es conveniente porque permite fijar a priori la escala temporal del fenómeno. Sin embargo, esto hace que el modelo sea incapaz de predecir las propiedades de las ondas de inundación inducidas por la rotura. Se puede producir una variedad de eventos para un rango dado de tasas de erosión vertical, pero no se puede discernir qué evento es probable que ocurra. Fread indica que el hidrograma de salida es extremadamente sensible a la tasa de erosión vertical elegida, pero asume que cualquier error en la predicción se amortiguará a medida que la onda súbita se traslade aguas abajo.
La principal preocupación de Fread es el enrutamiento de la onda de inundación en el valle aguas abajo despúes de la rotura de la presa, lo cual es el objetivo final de cualquier investigación. Para una descripción de los incidentes de represas en los Estados Unidos, se hace referencia a la publicación de ASCE-USCOLD (24). Este informe contiene una lista cronológica documentada de incidentes de presas que involucran incidentes de fallas de presas importantes que se remontan a los finales del siglo XIX. En notable contraste con la preocupación general por la seguridad de las represas, este libro documenta un excelente historial de seguridad para las represas de los Estados Unidos. 2. DESARROLLO TEÓRICO El modelo aquí descrito tiene cinco componentes: (1) esquema numérico; (2) fricción de fondo del canal; (3) enrutamiento de sedimentos; (4) morfología de la brecha; y (5) condiciones iniciales y de contorno. Esquema numérico. La extensa literatura sobre flujo no permanente y modelos numéricos justifica el uso de una solución implícita de la onda dinámica para simular una ruptura gradual. La velocidad de crecida del hidrograma de flujo de salida es rápido en comparación con una de onda de inundación convencional. Por lo tanto, su descripción debe considerar los términos de inercia en la ecuación de movimiento, es decir, un modelo dinámico. El esquema implícito de cuatro puntos, también conocido como esquema de Preissmann, se utiliza en la simulación (11). En teoría, este esquema es incondicionalmente estable; en la práctica, sin embargo, a menudo es necesario introducir un factor de ponderación para amortiguar las perturbaciones cuyo tamaño es del orden del tamaño de la malla. Además, la especificación adecuada de las condiciones iniciales y de contorno es crucial para la estabilidad y convergencia de la solución numérica. La eficacia del esquema de Preissmann está bien documentada en la literatura. Fricción de fondo. No se dispone de una expresión final o completa para la fricción de fondo; en la práctica se siguen utilizando ecuaciones empíricas. Estas ecuaciones se han derivado para condiciones de flujo de equilibrio y su aplicación al flujo no permanente se justifica desde un punto de vista práctico.
El modelo utiliza la ecuación de Manning para describir la fricción de fondo. Enrutamiento de sedimentos. El componente de enrutamiento de sedimentos tiene dos características: (1) Solución numérica de la ecuación de continuidad de sedimentos (la ecuación de Exner); y (2) cálculo del transporte de material del lecho utilizando una fórmula de carga del lecho adecuada para su aplicación a flujos de alto número de Froude. En esta aplicación, es probable que la escala de tiempo de las ondas de agua y sedimentos sea la misma porque los cambios en el lecho del canal se están produciendo a una velocidad comparable a los cambios en la elevación de la superficie del agua. Por lo tanto, se utiliza el mismo intervalo de tiempo para el enrutamiento de agua y sedimentos.
La elección de una función de carga de lecho adecuada aplicable a flujos de alto número de Froude sigue siendo una cuestión de conveniencia computacional. Los modelos fenomenológicos como el de Einstein (6) resultan atractivos, considerando el detalle físico que se puede incorporar en la simulación. Sin embargo, la complejidad de estos modelos representa una clara limitación.
en la cual qs = tasa de transporte de material de fondo, en peso, por unidad de ancho; τ = esfuerzo cortante de fondo; τc = esfuerzo cortante crítico (esfuerzo cortante al inicio del movimiento); y a, El esfuerzo cortante de fondo se expresa mediante la siguiente fórmula:
en la cual γ = densidad del agua; d = profundidad de flujo; y Sf = pendiente de fricción. El esfuerzo cortante crítico se expresa de la siguiente manera:
en el cual γs = densidad de sólidos; y D50 = diámetro medio del grano de partículas sólidas.
Morfología de la brecha. El modelo incluye un componente para unir la geometría de la sección transversal de la brecha al flujo de salida de la presa que falla. Esta relación debe funcionar como un grado adicional de libertad para representar el desarrollo vertical y lateral de la brecha de una manera físicamente realista. En su etapa actual de desarrollo, el componente de morfología de la brecha consiste en una relación entre el ancho superior y la tasa de flujo. La existencia de tal relación tiene sus raíces en la teoría sobre canales en régimen (regime theory). Se utiliza aquí para canales de desequilibrio por falta de una teoría rigurosa de morfología de rotura. Este aspecto del modelado se puede mejorar fácilmente a medida en que investigación adicional ayude a aclarar los principios morfológicos directores. Los trabajos recientes de Parker (14) y Chang (3) son pasos importantes en esta dirección. Condiciones iniciales y de contorno. La especificación correcta de las condiciones iniciales y de contorno es un aspecto crucial del modelado. La conveniencia computacional dicta que los valores iniciales de las variables hidráulicas sean finitos, es decir, distintos de cero. Por lo tanto, se especifica un flujo pequeño pero finito como condición inicial en el lado aguas abajo de la presa. Las condiciones hidráulicas se determinan utilizando principios de flujo permanente. La condición de frontera aguas arriba es el nivel de la superficie del agua del embalse. Además, se especifica la elevación de la corona de la presa. El flujo de salida al inicio del cálculo es una función del tamaño especificado de la corriente inicial. La erosión progresiva ensancha y profundiza la corriente, aumentando el caudal de salida y la tasa de erosión de manera autogenerada. La sección transversal superior en la cara inclinada de la corriente descendente "se arrastra" hacia aguas arriba a través de la parte superior de la presa hasta que alcanza la cara aguas arriba, por lo que las descargas líquidas y sólidas aumentan a un ritmo acelerado. Si el flujo de salida aumenta lo suficiente como para bajar el nivel del embalse más rápido de lo que se erosiona el lecho del canal, tanto el flujo de salida como la erosión disminuyen gradualmente. Por supuesto, el flujo de salida eventualmente disminuirá, inclusive si el lecho de la brecha se erosiona hasta el lecho del arroyo. Este modo de falla crea el hidrograma de salida en forma de una onda de inundación de ascenso relativamente rápido pero gradual. 3. DESCRIPCIÓN DEL MODELO
El modelo matemático asume una falla por desbordamiento de un terraplén de tierra, por lo que una brecha comienza a crecer en algún punto bajo o débil de la cresta y la cara aguas abajo.
El modelo tiene los siguientes componentes: (1) Datos de entrada y condiciones iniciales; Datos de entrada y condiciones iniciales. Las subrutinas se utilizan para ingresar datos como área inicial, ancho, profundidad y caudal; geometría de presa y brecha; características del suelo; coeficientes de rugosidad; resolución espacial y temporal; etc. Características transversales. Las características de la sección transversal se describen mediante las siguientes ecuaciones:
y
en las cuales y = elevación del pelo de agua; A = área de la sección transversal; P = perímetro mojado; y α y a1, β y b1 son coeficientes y exponentes, respectivamente. Se utiliza un ajuste de mínimos cuadrados para determinar los coeficientes y exponentes de las Ecs. 5 y 6 en función de la distancia (a lo largo del canal de brecha) y el tiempo (logrado mediante la actualización de los parámetros transversales después de cada intervalo de tiempo). Coeficientes matriciales y solución de doble barrido. Estos componentes del modelo calculan los coeficientes de las ecuaciones discretizadas de Saint Venant y resuelven la matriz resultante mediante la técnica de solución de doble barrido. Para un tratamiento detallado de la discretización siguiendo el esquema de Preissmann, se hace referencia a Liggett y Cunge (11).
Descripción de la geometría de rotura. Para describir adecuadamente la rotura gradual de una presa de tierra, la geometría de la rotura debe estar relacionada con la hidráulica del flujo y las propiedades del material del lecho. Según Johnson e Illes (10), la geometría de la brecha está directamente relacionada con la duración y la forma de la onda de desbordamiento. Estos autores afirman que normalmente la brecha es entre una y tres veces más ancha que profunda. Esta descripción de la geometría de la brecha proporcionó resultados satisfactorios y permitió una mayor flexibilidad y una mejor simulación. La implementación futura del modelo debe concentrarse en identificar los mecanismos de erosión subyacentes e incorporarlos en la simulación. Transporte de sedimentos. El modelo usa la ecuación de continuidad de sedimentos (la ecuación de Exner) para describir los procesos erosivos en el lecho del canal. La ecuación de Exner se expresa de la siguiente manera:
en la cual Qs = transporte de sedimentos, por peso; p = porosidad del material que forma el lecho;
Para describir el transporte de sedimentos, se utiliza la ecuación de Meyer-Peter y Müller. Enrutamiento de embalses. Este componente del modelo determina la condición de frontera aguas arriba, es decir, el nivel aguas arriba y la profundidad del flujo. Esto se logra calculando el ascenso/descenso en el nivel del embalse dentro de un intervalo de tiempo de la siguiente manera:
en el cual ΔH = ascenso/descenso del nivel del embalse desde el nivel de tiempo n hasta el nivel de tiempo n + 1; Q1 = caudal en la sección aguas arriba de la brecha en el nivel de tiempo n; La condición de frontera aguas arriba, calculada como se indica en el párrafo anterior, proporciona el mecanismo que permite el desarrollo de la brecha. A medida que aumenta la profundidad del flujo aguas arriba, el caudal y la velocidad también aumentan, lo que conduce a la ampliación de la brecha. El proceso se detiene cuando el embalse se agota hasta el punto en que la profundidad y la velocidad del flujo aguas arriba ya no pueden continuar la acción erosiva.
4. ESTUDIO DE CASO: PRESA NATURAL HUACCOTO, PERÚ
La represa natural Huaccoto se formó como resultado de un deslizamiento de tierra que ocurrió en el arroyo Cochacay, un afluente del río Mantaro, en el centro de Perú, en abril de 1974.
Las características generales del terraplén y el embalse de Huaccoto son (18): (1) Capacidad del embalse = 665 millones de m3; (2) altura máxima del terraplén = 170 m; (3) longitud lateral del terraplén = 3800 m; (4) elevación aproximada de la cresta = 2630 m.s.n.m; (5) tamaño representativo del material del lecho = 11 mm; y (6) porcentaje de material del tamaño menor que el tamiz 200 = 15%. Estas características y otros datos auxiliares se utilizaron para realizar una simulación retrospectiva de la falla del terraplén de Huaccoto. Se utilizaron once (11) secciones transversales, cada una con una separación de 300 m, y
la simulación se llevó a cabo durante
La Tabla 1 muestra una comparación de las características estimadas versus simuladas.
5. RESUMEN Y CONCLUSIONES Se ha formulado, desarrollado y probado un modelo de simulación de la falla gradual de un terraplén con datos reales. Una característica importante del modelo es su capacidad para cuantificar el crecimiento de la brecha y el eventual vaciado del embalse detrás del terraplén.
El modelo se prueba en la falla del terraplén natural que se formó en abril de 1974 en el río Mantaro en el centro de Perú, como resultado de un deslizamiento de tierra generado por un terremoto. La necesidad de este tipo de análisis está respaldada por hallazgos recientes de un taller patrocinado por la Fundación Nacional para las Ciencias, de los Estados Unidos, que se reunió para delinear las prioridades en la investigación en hidráulica e hidrología. Según el informe del taller (2), las regulaciones gubernamentales ahora exigen que los terraplenes sean analizados contra posibles fallas debido a desbordes. En la actualidad, estas evaluaciones se basan principalmente en los escasos datos disponibles de unas pocas fallas documentadas. Con los modelos matemáticos cada vez más disponibles, existe una tendencia clara hacia el uso de estas formas mejoradas de analizar las fallas graduales de los terraplenes. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen al Dr. José D. Salas, quien proporcionó los datos sobre la falla de la presa de Huaccoto, y a los revisores anónimos del manuscrito por su crítica constructiva. APÉNDICE I. BIBLIOGRAFÍA
APÉNDICE II. NOTACIÓN
En este artículo se utilizan los siguientes símbolos:
A = área de la sección transversal; |
220101 |
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