Detección de anomalías geotécnicas en presas mediante revisiones visuales Geotechnical anomalies detection in dams through visual examination Rodrigo MURILLO FERNANDEZ1 1Comisión Nacional del Agua RESUMEN: El Programa Nacional de Seguridad de Presas, tiene establecidos procedimientos de revisión de presas en tres niveles, el inicial o diagnóstico visual, el de revisión especializada y el de estudios especiales. En el primer nivel, se detectan las principales deficiencias o anomalías de una obra mediante su revisión en sitio, con procedimientos normalizados que permiten una primera clasificación del riesgo. Cuando éste es alto, se procede a una segunda revisión con personal especializado para confirmar o desechar el diagnóstico y se establecen medidas para mitigar el riesgo y disminuir las amenazas. En caso de necesitarse, se procede a realizan estudios especiales. Este procedimiento ha permitido la revisión y clasificación de más de 5300 obras en todo el país, dar prioridad a la atención de las presas, además de contribuir a elaborar un inventario nacional de presas y bordos para almacenamiento, regulación y control de avenidas. Se describe brevemente el procedimiento de auscultación con énfasis en los aspectos geotécnicos de interés y se presentan algunos resultados del estado general de la infraestructura hidráulica nacional. ABSTRACT: The National Dam Safety Program, has established procedures for revision of dams on three levels, the initial or visual diagnosis, specialized reviews and special studies. At the first level, the main deficiencies or anomalies are detected by in-situ review with standardized procedures that allow a first risk classification. When it is high, we proceed to a second review with specialized personnel to confirm or reject the diagnosis and to establish measures to mitigate risk and reduce threats. If needed, we proceed to perform special studies. This procedure allows the review and classification of more than 5300 dams nationwide, prioritize the care of them, and contribute to developing a national inventory of dams and levees for storage, regulation and flood control. Auscultation procedure is briefly described with emphasis on the geotechnical aspects of interest and some results of the general state of the national hydraulic infrastructure are presented. 1 ANTECEDENTES La Comisión Nacional del Agua (Conagua), tiene implementado desde hace varios años el Programa Nacional de Seguridad de Presas (PNSP), que consiste básicamente en realizar la revisión estructural y operacional de las presas que se encuentran en los cauces de propiedad nacional, como cumplimiento de las atribuciones y responsabilidades de la Ley den Aguas Nacionales (DOF, 2004). Fundamentalmente consiste en revisar en forma sistemática y periódica las presas principales del país, principalmente las que se encuentran a cargo de la Conagua, así como aquellas que se consideran de importancia por los servicios económicos y sociales en su región de influencia. Inicialmente, la Conagua siguió la tradición de sus predecesoras al publicar las Memorias Técnicas de las Presas de México (Conagua, 1990-2007), en las cuales se realiza la descripción general del diseño y características geométricas y constructivas de más de 300 presas construidas desde la década de los años 50 del siglo pasado. A partir de ese acervo, se encomendó a la Gerencia del Consultivo Técnico de la Conagua, integrada por personal técnico experto en presas, el seguimiento del comportamiento de algunas de las obras cuya respuesta a solicitaciones era diferente a la normal o que por sus características de diseño y construcción requerían un seguimiento especial. Con el paso del tiempo y por la necesidad de la institución de evaluar cada vez más obras en operación, se amplió la base de presas bajo vigilancia, sobre todo desde los aspectos geotécnico e hidrológico. Además, en cada ocasión en que una presa, de cualquier tamaño, descargaba por su vertedor en forma abundante o intempestiva, los usuarios o las autoridades locales, se dirigirían a la Conagua para solicitar asesoría o apoyo, por ser la institución con los conocimientos y la experiencia para atender las incidencias, anomalías o eventos extraordinarios, además de ser la autoridad responsable de vigilar el funcionamiento hidráulico de los cauces y vasos federales. Por estos antecedentes, se desarrolló una base de datos (Conagua, 2014) y los procedimientos de revisión y evaluación de la infraestructura hidráulica de almacenamiento, control y protección contra inundaciones, basados en metodologías del Bureau SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C. 2 Detección de anomalías geotécnicas en presas mediante revisiones visuales of Reclamation de los Estados Unidos (Conagua, 2000), adaptados a las características nacionales. De esa forma se estableció el PNSP, que comprende la evaluación de las presas nacionales básicamente con la revisión física de las estructuras, analiza su comportamiento y establece calificaciones de riesgo. 2 PROCEDIMIENTO DE REVISIÓN Y EVALUACIÓN La Conagua y antecesoras han construido casi la tercera parte de las 5166 presas del Inventario Nacional de Presas (Arreguín et al, 2013), opera directamente más de 400 grandes presas estratégicas y participa en la conservación de una parte importante de la infraestructura nacional de almacenamiento y control de avenidas, por lo cual en general posee información de sus características constructivas, aunque gran parte de las memorias de diseño se han perdido. Normalmente se realiza una revisión inicial o registro de las estructuras de la presa, para verificar sobre todo las dimensiones reales de éstas, verificar si hubo cambios del diseño original o bien registrar las modificaciones que se han realizado (Conagua 2014). Además se realiza una revisión visual de cada estructura para establecer las condiciones físicas y de conservación en ese momento. Estos procedimientos son los que se describen con mayor detalle, puesto que de ellos depende la realización de todas las subsecuentes actividades y se centra principalmente en las observaciones de personal técnico capacitado y entrenado. Esta revisión (nivel I) establece un grado de riesgo inicial como nulo, bajo, medio y alto, conforme a la descripción de la tabla 1. En otras metodologías se define el riesgo como el costo de los daños asociado a la probabilidad de que ocurra un evento. Existen otros métodos para determinar el riesgo con otras consideraciones; sin embargo éste ha permitido atender y alertar a los responsables, autoridades y población con eficacia. Tabla 1. Niveles de riesgo Nivel de Riesgo Alto Medi o Bajo Nulo Descripción La falla de la obra es muy probable y en caso de suscitarse, las afectaciones incluyen la pérdida de vidas humanas o daños ambientales graves La falla de la obra es probable y en caso de suscitarse, las afectaciones serían principalmente materiales y ambientales limitadas La falla de la obra es poco probable y en caso de suscitarse, las afectaciones materiales serían escasas y limitadas a la obra No hay riesgo de falla Cuando se reporta riego alto o medio con consecuencias en la infraestructura, se proporcionan medidas inmediatas para reducir los peligros o las posibles consecuencias de una descarga súbita de agua. Además se realiza una revisión de nivel II, con especialistas del área del conocimiento de las anomalías detectadas, como pueden ser geológica, geotécnica, estructural, electromecánica, hidráulicahidrológica, funcional, sanitaria, etc., la cual puede ratificar o rectificar el diagnóstico inicial de peligro (Figura 1). Figura 1. Revisión nivel II de una presa, con expertos. En caso de confirmación, se establecen medidas sobre todo operativas para limitar las amenazas y disminuir la posibilidad de daños; además, normalmente se establece un programa de vigilancia y se realizan estudios de evaluación para establecer las medidas necesarias para que la presa retorne a una condición de riesgo menor, mediante acciones operativas o estructurales; a estos trabajos se les conoce como revisión de nivel III. Al realizar el diagnóstico en cualquiera de los niveles (Figura 2), se establecen medidas de seguimiento y atención de las deficiencias que se hayan registrado. Estos procedimientos se encuentran establecidos en el Manual de Procedimientos de la Conagua. 3 REVISIÓN La revisión de las estructuras es efectuada conforme a los procedimientos establecidos en el Manual para la Capacitación en Seguridad de Presas y otras regulaciones internas de evaluación hidrológica, así como procedimientos de diseño y construcción. SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C. MURILLO FERNANDEZ R. 3.1 Cortinas La revisión de estructuras, sobre todo las cortinas, es realizada recorriendo la estructura por su corona y taludes en zigzag, tanto el de aguas abajo, como el de aguas arriba hasta donde el nivel del agua lo permita, así como los contactos con las laderas y empotramientos. Durante este recorrido se registran las deformaciones, como protuberancias o depresiones, discontinuidades tales como grietas con y sin desplazamiento entre labios, erosiones, presencia de madrigueras y vegetación, desprendimientos o dislocaciones de elementos rígidos. Parte importante de esta revisión es la detección de filtraciones en la cara aguas abajo, su caudal y es necesario registrar su variación con el nivel del embalse, así como la turbiedad o coloración (agua zarca), posibles arrastres y deposiciones de partículas u óxido aguas abajo de los sitios en que emergen (Figura 3). 3 es que la revisión de las caras visibles de la cortina es tan importante. Conviene considerar que por lo general aparecen signos de inestabilidad mediante la aparición de grietas, inicialmente sin diferencia de elevación entre labios y posteriormente, sin no se toman medidas de remediación inmediatas, ocurre un aumento de separación, escalón entre los lados de la grieta y un deslizamiento (Figura 4). Figura 4. Agrietamiento y deslizamiento de la chapa de enrocamiento Figura 2. Tipos de revisión de las presas Figura 3. Filtración con arrastre de sólidos al pie de una cortina La mayor preocupación de la ingeniería de presas es que ocurra un deslizamiento de taludes, por ello Algunos deslizamientos pueden ser a través de superficies planas y otros profundos en forma cilíndrica o bien combinaciones. Es conveniente tener en cuenta que los agrietamientos longitudinales en la corona de las cortinas pueden deberse a la diferente deformabilidad de los materiales (núcleo-filtros-respaldos) o entre zonas compactadas y otras con escasa compactación en el talud, y no necesariamente a un deslizamiento. Esta diferencia solo es posible dilucidarla con análisis por expertos. Desafortunadamente gran parte de la auscultación puede ser obstaculizada por la falta de conservación que permite el crecimiento de la maleza en las superficies de la cortina. Tradicionalmente se instrumentan las cortinas de las grandes presas con dispositivos de la última generación para detectar desplazamientos y registrar esfuerzos. Esto es cierto para toda gran presa apegada a la definición de la ICOLD (International Commission On Large Dams), es decir, aquellas mayores de 15 m de cortina que por lo común almacenan varios millones de metros cúbicos. Pero la mayoría de las presas son de dimensiones menores, entre los 5 y los 15 m de altura de cortina y se instrumentan solo con líneas de testigos superficiales en dos sentidos, los cuales se miden al inicio de la operación y si todo sucede normalmente, se les da seguimiento a los desplazamientos y asentamientos uno o dos años. Por otro lado, existen pocos técnicos en nuestro SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C. 4 Detección de anomalías geotécnicas en presas mediante revisiones visuales medio capaces de interpretar adecuadamente los resultados de una instrumentación básica de monumentos superficiales y menos aún de instrumentos altamente especializados. Por esta razón se ha considerado que las auscultaciones visuales que se realizan en el programa, han permitido tomar las medidas para reducir afectaciones a la población, sobre todo en las épocas de avenidas. Sería ideal contar con la instrumentación en todas las presas. Aunque se da énfasis en este trabajo a los aspectos geotécnicos, es importante indicar que una tercera parte o más de las fallas en presas ocurre por rebase de avenidas sobre la corona (Murillo, 2012) y aunque no existe la costumbre de reportar este tipo de rupturas debido a que muchas veces son provocadas por los usuarios al obstruir el vertedor en su afán de almacenar un poco más de agua, es posible apreciar en la corona de las presas y talud seco, la erosión que produce un derrame sobre la corona (Figura 5). Figura 6. Tubificación recurrente en cortina, Coah. Figura 5. Cortina erosionada por rebase de la avenida La existencia de madrigueras de roedores u hormigas, también puede debilitar la estructura del terraplén y aunque no se ha comprobado que ésta haya sido la causa de alguna ruptura, sí debilita las cortinas. Se considera conveniente indicar que por ser gran parte de nuestro territorio semidesértico, existen amplias regiones en las cuales los suelos abundantes son limos arenosos y escasas las arcillas, por lo cual, ante la necesidad de almacenar y conservar agua para todos los usos, se construyen bordos e inclusive presas con ese tipo de suelos. Estos materiales son susceptibles a erosionarse superficialmente en forma fácil, lo cual es detectable por las cárcavas y torrenteras que son visibles, pero también son muy fácilmente erosionables en el cuerpo del terraplén, lo cual favorece fallas por tubificación, que han llegado a representar la quinta parte comprobada de las rupturas de cortinas en nuestro país (Figura 6). Figura 7, Filtraciones mampostería, Chihuahua. en una cortina de En el caso de cortinas rígidas, si bien no es posible realizar un recorrido por ambos paramentos, en cambio es fácilmente detectable las filtraciones en el talud aguas abajo, así como agrietamientos y dislocaciones entre monolitos cuando son de concreto convencional. Las filtraciones a través de la cimentación son registradas de forma similar a las cortinas de tierra y enrocamiento (Figura 7). Además, la revisión de las galerías y sistemas de drenes permiten tener una visión del estado interno SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C. MURILLO FERNANDEZ R. de las cortinas, ya que la existencia de grietas y filtraciones a presión representan siempre situaciones desfavorables en la seguridad de las presas. Otras estructuras rígidas en contacto con el terraplén, acusan en muchas ocasiones una separación debido a su diferente deformabilidad, y son una vía preferencial para las fugas de agua con las consecuentes erosiones que terminan por destruir las cortinas, estas situaciones ocurren entre los materiales de la cortina, los vertedores (Figura 8), obras de toma y desagües de fondo. 5 desalojar los caudales de ésta y resulta sumamente peligrosa su obstrucción. Foto 9. Medición de grietas en la ladera de un vaso en Oaxaca Figura 8. Obra de toma agrietada que causó la ruptura de la cortina en Sinaloa. La cortina representa la estructura principal de las presas, ya que sin ella no existe la obra y su ruptura es la que provoca los mayores daños, pero también es la estructura básica sin la cual no es posible contener el agua e impide proporcionar los servicios de abastecimiento de agua para uso doméstico, riego, abrevadero o piscicultura por citar los usos más comunes. Por lo anterior es la estructura que más se revisa, instrumenta, monitorea y conserva. Sin embargo, otras estructuras también deben ser revisadas. Entre las observaciones que deben realizarse en esta estructura destacan: su posible obstrucción para almacenar más agua o sobreelevación de su cresta, lo que limita su capacidad de descarga. Además, es importante consignar el estado de su cresta y canales de entrada y descarga o rápida para detectar desprendimientos, dislocaciones o sobre todo erosiones por el flujo de agua, las cuales rápidamente pueden evolucionar como erosión regresiva y provocar un tajo en la cortina produciendo una avenida sin control que puede producir resultados funestos (Figura 10). 3.2 Vaso El comportamiento de las laderas de la presas durante los primeros llenados sobre todo, pero también cuando se reduce el nivel de agua de forma rápida, debe ser observado, ya que pueden ocurrir agrietamientos y deslizamientos que provoquen graves consecuencias por oleaje (Figura 9). Aunque esta situación no es frecuente, en época de lluvias suelen ocurrir en el país movimientos de masa como el ocurrido en de San Juan de Grijalva, Chis., con graves consecuencias. 3.3 Vertedor El vertedor de excedencias representa la válvula de seguridad hidráulica de la presa ante una avenida de gran magnitud, por lo cual debe ser capaz de Figura 10. Erosión regresiva en la descarga del vertedor En los vertedores controlados, el buen funcionamiento de los sistemas eléctrico, mecánico y estructural son indispensables, por lo cual durante una revisión visual, debe verificarse que todos los mecanismos estén funcionales, que la alimentación eléctrica opere y su respaldo de emergencia esté siempre disponible. En estos casos, la redundancia de equipos es indispensable. SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C. 6 Detección de anomalías geotécnicas en presas mediante revisiones visuales 3.4 Otras estructuras Resulta de importancia también, el funcionamiento de las obras de toma y sus mecanismos, ya que si quedan inoperables, no es posible extraer el agua lo que impide dar el servicio, pero además provoca almacenamientos no aprovechables que puede favorecer frecuentes descargas por encontrarse lleno el vaso. Algunas instalaciones como son las casetas de operación, redes y subestaciones eléctricas son también de importancia, pero una infraestructura que a veces se olvida y que es de mayor importancia es el acceso a las instalaciones mediante caminos y rutas siempre accesibles, aún en las situaciones más desfavorables como tormentas o ciclones, para poder operar la toma y el vertedor en caso de ser controlado con compuertas. La información registrada en cada una de las estructuras de las presas es consignada en formatos específicos para su posterior análisis y acopio en una base de datos. almacenamiento y control de avenidas del país, estableciendo cuáles son seguras y cuáles no. Este diagnóstico permite vigilar con mayor atención aquellas que tiene las mayores deficiencias y representan un peligro para la sociedad, para jerarquizar su atención. Los resultados de las revisiones proporcionan a los responsables, no solo un diagnóstico inicial, especializado o formal de las condiciones de las presas, sino recomendaciones para su rehabilitación, mejora o para aplicar medidas de mitigación de riesgo. 4 PRINCIPALES RESULTADOS Las revisiones de prácticamente toda la infraestructura nacional arroja que la gran mayoría de las presa se encuentra en condiciones seguras, si bien les falta mantenimiento a muchas de ellas. En algunas obras, al disponer de una mayor cantidad de datos hidrometeorológicos, se han diagnosticado en riesgo por insuficiencia del vertedor (Figura 11), por lo cual se ha establecido medidas operativas de control de almacenamiento para tener una mayor capacidad de regulación. Un grupo pequeño de obras se encuentra estructuralmente dañadas o bien han envejecido, por lo cual se aplican medidas de mitigación. La situación preocupante es aquella en la que las presas se encuentran en buen estado estructural y su funcionamiento hidrológico es el adecuado, pero por falta de un ordenamiento territorial adecuado, los antiguos cauces y los vasos se han ocupado con casas y otras instalaciones, por lo cual la exposición de la población a posibles descargas normales por el vertedor los convierte en susceptibles de ser afectados. La recopilación sistemática de información, permite contar con un inventario actualizado de la infraestructura nacional de almacenamiento, control de avenidas y protección contra inundaciones, la cual favorece el análisis del estado de las presas a niveles nacional y regional. 5 CONCLUSIONES. Mediante la revisión visual de presas, se ha evaluado inicialmente la mayor parte de las obras de Foto 11. Presa con riesgo hidrológico REFERENCIAS Arreguín F., Murillo R. y Marengo H. (2013). “Inventario Nacional de Presas”, Revista Tecnología y Ciencias del Agua, vol. IV, núm. 4, septiembre-octubre de, pp. 179-185, México DOF (Diario Oficial de la Federación) (2004). Ley de Aguas Nacionales. México. Conagua (1990 – 2007), Memorias de Presas, Volúmenes I a XIX, Gerencia del Consultivo Técnico, Subdirección General Técnica, México. Conagua (2000). Manual para capacitación en Seguridad de Presas (traducción autorizada de United States Bureau of Reclamation), Subdirección General Técnica, Gerencia de Ingeniería Básica y Normas Técnicas, México. Conagua (2014). Sistema Informático de Seguridad de Presas, Subdirección General Técnica, Gerencia del Consultivo Técnico, México. www.conagua.gob.mx Trámites y servicios / Aguas Nacionales / Sistema de Seguridad de Presas. Murillo R. (2012).”Presas de tierra y sus fallas”, Memorias XXVI Reunión Nacional de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica, Noviembre, Cancún, Quintana Roo. México. SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA A.C.