TITULAR: PRESA DE: ENTREGADO EN FECHA:

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1 TITULAR: PRESA DE: ENTREGADO EN FECHA: PROTOCOLO PARA EL ANÁLISIS DE MODOS DE FALLO EN SISTEMAS PRESA-EMBALSE P a r t i c i p a n t e : P r o f e s i ó n : C a r g o : F a c i l i t a d o r : F e c h a : L u g a r : versión

2 I Índice de Contenido Contenido Página 1.- Introducción Preámbulo Definiciones importantes Herramienta de ayuda para describir detalladamente Modos de Fallo Importancia de la Auscultación Ficha Técnica de la Presa Revisión y Análisis de la Información Propuesta Individual de Modos de Fallo Factores a Favor y en Contra de la Aparición de los Modos de Fallo Grupales Clasificación de Modos de Fallo Grupales Necesidades de Actuación sobre Modos de Fallo Grupales Necesidades de Reducción de Vulnerabilidad Notas y/o Comentarios Anexo Nº 1. Herramienta para la Identificación de Modos de Fallo Anexo Nº 2. Tabla de Auscultación 18 i

3 1 Introducción 1.1 Preámbulo El presente documento pretende servir de ayuda en las sesiones para la identificación, análisis y descripción detallada de los modos de fallo en un sistema presa-embalse. La finalidad principal de este protocolo es guiar a los participantes, mediante el uso de planillas, en las pautas que se deben seguir para realizar dicho análisis. En la siguiente figura se presenta un diagrama de flujo donde se muestra la secuencia de pasos para realizar mencionado análisis, cada una de las casillas expuestas corresponde a una planilla que debe ser rellenada de forma individual y posteriormente discutida en grupo. Figura. Secuencia para realizar un análisis de modos de fallo 1

4 1.2 Definiciones importantes A continuación se definen algunos conceptos importantes que serán utilizados en el presente protocolo. Modos de Fallo del Sistema Presa-Embalse Un modo de fallo constituye una secuencia particular de eventos que puede dar lugar a un funcionamiento inadecuado del sistema presa-embalse o una parte del mismo. Esta serie de sucesos debe estar asociada a un determinado escenario de solicitación y tendrá una secuencia lógica; la cual constará de un evento inicial desencadenante, una serie de eventos de desarrollo o propagación y culminará por la rotura de la presa. En principio, se analiza cualquier modo de fallo con potencial para producir un vertido incontrolado de caudales y, por tanto, con potencial para causar daños sobre la vida humana. Así mismo, el análisis de los modos de fallo no se ciñe exclusivamente a las estructuras de retención de un embalse, sino que tiene en cuenta cualquier infraestructura incluida en el sistema presa-embalse. Escenarios de Solicitación Se entiende por escenarios las fuerzas que pueden actuar sobre el sistema presa-embalse debido a solicitaciones externas. De forma general suele definirse tres escenarios de solicitación partiendo de: eventos de naturaleza hidrológica, eventos de naturaleza sísmica y condiciones de explotación normal del embalse; aunque no se descarta otras acciones naturales o antrópicas que puedan incidir sobre el correcto funcionamiento del sistema presa-embalse. A continuación se describen los escenarios de solicitación generales: Escenario Hidrológico Se considera como tal, a toda avenida que aporte caudal al embalse, implicando ocasionalmente ciertos empujes hidrostáticos sobre la presa, 2

5 aumento de subpresiones o presiones intersticiales y sometiendo a diferentes grados de agotamiento la capacidad de los órganos de desagüe y aliviaderos. Escenario Sísmico Se considera como tal, al que se deriva de la ocurrencia de un sismo que somete a la presa y a sus estructuras anexas a un aumento de aceleraciones y frecuencias, a sobre presiones intersticiales y a sobre empujes dinámicos; es decir a variables diferentes a las del equilibrio estático. Es importante mencionar que para el análisis se descarta la ocurrencia simultánea de un sismo y una avenida en vista que la probabilidad conjunta de ocurrencia es despreciable. Escenario Explotación Normal Se considera como tal, al que se deriva de la explotación ordinaria del embalse, incluyendo las operaciones rutinarias de explotación (variaciones en el nivel de agua), las operaciones de mantenimiento y las variaciones térmicas. Evaluación cualitativa de Modos de Fallo. La evaluación cualitativa consiste en realizar un análisis para ponderar que modos de fallo resultan más o menos factibles que ocurran. Esta evaluación se realiza mediante la siguiente clasificación. Clasificación de los Modos de Fallo Grado I: Modos de fallo que claramente se consideren factibles al existir alguna condición o estado sintomático detectado, resultar la serie de eventos probables e implicar consecuencias potenciales importantes. Grado II: Modos de rotura considerados igualmente factibles, aunque con menores posibilidades de ocurrir o consecuencias reducidas. Grado III: Modos de fallo para los que la información disponible resulta, a todas luces, insuficiente aunque se estiman factibles y con consecuencias potenciales de magnitud elevada. Requieren una campaña de investigación urgente. 3

6 Grado IV: Modos de rotura descartados y cuya aparición no se considera razonable. 1.3 Herramienta de ayuda para describir detalladamente modos de fallo Como complemento al proceso de identificación de los Modos de Fallo, se incluye un cuadro orientativo de carácter general, con la finalidad de guiar al participante en la descripción detallada del mismo. La herramienta esta compuesta por las siguientes categorías: Escenarios: que abarcan las solicitaciones que inciden sobre el sistema presaembalse Componentes y Sub-Componentes del Sistema Presa-Embalse: esta categoría identifica los elementos susceptibles a fallo donde se desencadena el mecanismo de rotura Fenómenos de Inicio o Desarrollo, referidos a los procesos que definen claramente un MF. Variables Auscultables más Influyentes e Instrumentos: Vinculan los fenómenos de Inicio o Desarrollo con el sistema de instrumentación. Dicha herramienta se incluye en el Anexo Nº Importancia de la Auscultación La auscultación resulta clave en la observación y diagnóstico del comportamiento de las presas, de esta manera ayuda en el establecimiento de un conjunto de umbrales preventivos para los diferentes controles durante la construcción y explotación; además constituye una herramienta importante para ayudar a detectar diversos modos de fallo. El Anexo Nº 2, muestra los tipos de auscultación, los instrumentos de medición y la finalidad de los mismos. 4

7 2 Ficha Técnica de la Presa Características de la Presa Tipo Ancho de Coronación (m) Planta Volumen de Fábrica (m 3 ) Cota de Coronación (m.s.n.m.) Número de Bermas Aguas Arriba Cota de Cimientos (m.s.n.m.) Número de Bermas Aguas Abajo Cota de Cauce (m.s.n.m.) Talud Aguas Arriba (H:V) Altura sobre Cimiento (m) Talud Aguas Abajo (H:V) Altura sobre Cauce (m) Geología de la Cerrada: Longitud de Coronación (m) Nivel Máximo Normal NMN (m.s.n.m.) Nivel de Avenida de Proyecto NAP (m.s.n.m.) Nivel de Avenida Extrema NAE (m.s.n.m.) Características del Embalse Superficie de Cuenca vertiente (km 2 ) Superficie de Embalse a NMN (ha) Volumen de Embalse a NMN (hm 3 ) Tipo Situación Perfil del vertedero Longitud Total Características del Aliviadero Vanos Caudal a NAP (m 3 /s) Elemento de Disipación de Energía: Características del Desagüe de Fondo Nº de Conductos Caudal desaguado a NAP (m 3 /s) Dimensiones (mm) Cota de Solera en Embocadura (m.s.n.m.) Cota de Solera en Salida (m.s.n.m.) Longitud Total (m) Órganos de Control Características de la Central Hidroeléctrica Nº de Conductos Órganos de Control Dimensiones (mm) Cota del Eje en Embocadura (m.s.n.m.) Caudal desaguado a NAP (m 3 /s) Longitud Total (m) Otros 5

8 3 Revisión y Análisis de la Información Documentos que son relevantes y que permiten conocer al sistema presa-embalse Carencias en la documentación o información, que se consideren importantes, del sistema presa-embalse. 6

9 4 Propuesta Individual de Modos de Fallo Proponer Modos de Fallo (MF), esquemas gráficos de los mismos y mencionar factores a favor y en contra de la aparición de los MF identificados. El Anexo Nº 1 presenta una herramienta de ayuda para la identificación de los MF. a.) Propuesta Individual de Modo de Fallo Esquema Gráfico de Modo de Fallo Factores a Favor Factores en Contra 7

10 b.) Propuesta Individual de Modo de Fallo Esquema Gráfico de Modo de Fallo Factores a Favor Factores en Contra c.) Propuesta Individual de Modo de Fallo Esquema Gráfico de Modo de Fallo Factores a Favor Factores en Contra 8

11 d.) Propuesta Individual de Modo de Fallo Esquema Gráfico de Modo de Fallo Factores a Favor Factores en Contra e.) Propuesta Individual de Modo de Fallo Esquema Gráfico de Modo de Fallo Factores a Favor Factores en Contra 9

12 5 Factores a Favor y En Contra de la Aparición de los MFG. Después de realizada la identificación grupal, plantear Factores a Favor y en Contra de la aparición de los Modos de Fallo Grupales (MFG). Modo de Fallo Factores a Favor Factores en Contra 10

13 6 Clasificación de Modos de Fallo Grupales (MFG) Evaluación cualitativa de los MFG según los Grados I, II, III ó IV. Modo de Fallo I II III IV Otro Final (consenso) 11

14 7 Necesidades de Actuación sobre MFG Necesidades de actuación sobre los MFG considerados relevantes. Modo de fallo Inspección / Vigilancia / Auscultación Ensayos e Investigación 12

15 8 Necesidades de Reducción de Vulnerabilidad Medidas reductoras de riesgo, estructurales y no estructurales, de los MFG considerados relevantes. Modo de fallo Repercusiones en P.E. y N.E. Sistema Presa Embalse Nota: P.E.: Plan de Emergencia, N.E.: Normas de Explotación 13

16 9 Notas y/o Comentarios 14

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18 Anexo Nº 1. Herramienta para la Identificación de Modos de Fallo en Sistemas Presa - Embalse 16

19 MODOS DE ROTURA DEFINICIÓN DE CADA MODO DE ROTURA I. DESLIZAMIENTO II. HUNDIMIENTO III. AGRIETAMIENTO IV. OTROS agotamiento de la resistencia al corte en una determinada superficie (hormigón o roca) o composición de superficies, provocando el desplazamiento hacia aguas abajo de la presa o parte de ella. agotamiento de la resistencia, desplazamiento de discontinuidades, colapso de cavidades o excesiva deformabilidad del cimiento provocando el desplazamiento sub-vertical de la presa o parte de ella. agotamiento resistente del hormigón provocando fisuras y grietas del mismo. que no incluyan la rotura de la presa, pero si provocan daños aguas abajo o consecuencias económicas por pérdida de misión. EJEMPLO DE DESCRIPCIÓN DETALLADA DE UN MODO DE FALLO, UTILIZANDO LA HERRAMIENTA En escenario hidrológico, se produce un aumento de empuje hidrostático y de subpresiones capaz de provocar una grieta de tracción en el pie del contacto presa-cimiento, que a su vez incrementa el gradiente hidráulico al que está sometido el relleno de una serie de juntas subhorizontales de la cimentación próximas al plano de contacto presa-cimiento, desencadenando una erosión del material y el posterior agotamiento de la resistencia a cortante resultando el deslizamiento de un bloque de la presa y su rotura. ESCENARIOS COMPONENTES DEL SISTEMA PRESA - EMBALSE SUB-COMPONENTES DEL SISTEMA PRESA-EMBALSE FENÓMENOS DE INICIO O DESARROLLO VARIABLES AUSCULTABLES MÁS INFLUYENTES INSTRUMENTOS H HIDROLÓGICO C Ci CIMENTACIÓN 1. Erosión interna Filtraciones y subpresiones Aforadores, piezómetros y turbidímetros CERRADA 1. Incremento de niveles de agua y 2. Grietas de tracción Tensiones y deformaciones en la cimentación Extensómetros eléctricos y de varillas empujes hidrostáticos 2. Aumento de subpresiones 3. Licuefacción Presiones intersticiales en cimentación Piezómetros 3. Aumento de vertidos o alivio Es ESTRIBOS 1. Erosión interna Filtraciones y subpresiones Aforadores, piezómetros y turbidímetros 2. Grietas de tracción Tensiones y deformaciones en la cimentación Extensómetros eléctricos y de varillas E Cp CUERPO DE PRESA 1. Fisuración Tensiones en la estructura de hormigón ESTRUCTURAS S SÍSMICO 2. Degradación interna del hormigón Variaciones de las características del hormigón Rosetas extensométricas o células de presión total Extracción de muestras y análisis en el laboratorio 1. Aumento de aceleraciones 3. Meteorización del hormigón Variaciones de las características del hormigón Extracción de muestras y análisis en el laboratorio 2. Aumento de frecuencias 4. Reacciones expansivas del hormigón Variaciones volumétricas del hormigón Termómetros y extensómetro corrector 3. Presencia de sobre presiones intersticiales 5. Degradación de elementos de estanqueidad Filtraciones Aforadores 4. Presencia de sobre empujes dinámicos 6. Movimientos Movimientos en juntas, desplazamientos horizontales y verticales y giros Medidor interno o externo de juntas, péndulos, colimación, nivelación e inclinómetros. Pi PANTALLA IMPERMEABLE 1. Mal funcionamiento de la pantalla Subpresiones Piezómetros y drenes Sd N EXPLOTACIÓN NORMAL SISTEMA DRENAJE 1. Colmatación de drenes Subpresiones Piezómetros y drenes 1. Variaciones en el nivel de embalse 2. Variaciones térmicas D Oc OBRA CIVIL 1. Erosión remontante a pie de presa Inspección visual Inspección visual ÓRGANOS DE DESAGÜE Y TOMAS 3. Operaciones de explotación 2. Sobrevertido de cajeros 4. Operaciones de mantenimiento 3. Sobrevertido en coronación Variables exteriores Limnígrafo Eo EQUIPOS ÓLEO-ELECTRO-HIDRÁULICOS 1. Pérdida de operatividad de compuertas - Sensores e Inspección Visual 2. Rotura de compuertas Inspección visual Inspección visual 3. Pérdida de generación eléctrica - Sensores O OTROS a. Acciones naturales (vulcanismo, V La LADERAS 1. Deslizamiento de laderas incendios, etc.) VASO DE ALMACENAMIENTO b. Acciones antrópicas 2. Reptación Deformacional (cimentación), desplazamientos horizontales y verticales Extensómetros de varillas, métodos topográficos, inclinómetros y G.P.S.

20 Anexo Nº 2. Tabla de Auscultación 18

21 TIPO DE AUSCULTACIÓN VARIABLE A CONTROLAR INSTRUMENTO DE MEDICIÓN FINALIDAD DE LA MEDICIÓN Péndulos directo e invertido (conjunto de telepéndulos mixtos) Registrar desplazamientos horizontales (tangenciales y radiales) con relación a una vertical en distintas cotas. Desplazamientos horizontales Bases, pilares topográficos, miras y teodolitos (auscultación geodésica) Bases topográficas, miras y teodolitos (colimación) Registrar los desplazamientos horizontales (tangenciales y radiales) de puntos característicos del paramento de aguas abajo de la presa y de la coronación mediante la triangulación geodésica de alta precisión. Registrar los desplazamientos horizontales de la coronación de la presa mediante la colimación topográfica. Hilo de cimentación Registrar desplazamientos horizontales (1) Deformacional (estructura) Desplazamientos verticales Giros Clinómetros Plomada óptica Registrar desplazamientos horizontales (2) Bases topográficas, miras y teodolitos (nivelación) Péndulos con hilo de invar Movimientos en juntas de construcción Medidor interno de junta Movimientos en juntas de construcción o fisuras Medidor externo de junta o fisuras Registrar los desplazamientos verticales (asientos o izamientos) de la coronación de la presa mediante la nivelación topográfica de alta precisión. Registrar movimientos verticales mediante discos de aluminio que registran su posición respecto a un detector fijado con un soporte al hormigón en la cota de medición. Obtener la inclinación en 2 planos ortogonales (radial y tangencial) entre sí, por la diferencia de lecturas entra fechas. Registrar la apertura o cierre de juntas de los bloques de hormigón dejando embebidos extensómetros eléctricos en bloques contiguos Registrar la apertura y cierre de las juntas de construcción o fisuras importantes superficiales a través de bases para defórmetros (2D o 3D) Existencia de fisuras Soniscopio Detectar fisuras internas en el cuerpo de la presa cuando se sospeche de su existencia (3) Deformacional (cimentación) Deformaciones o asientos en cimentación, y movimientos en fallas geológicas Extensómetros de varillas Determinar de forma aproximada los movimientos verticales u horizontales (dependiendo de su instalación) relativos de diversos puntos de anclaje en cimentación respecto a una referencia exterior fija, además permiten determinar de forma aproximada el empuje resultante a la cimentación y el módulo de deformabilidad global de la zona de cimentación controlada. Filtraciones Aforadores Determinar el caudal de filtración y controlar la evolución del mismo en sectores importantes y de interés (estribos, pie de aguas abajo, galerías, cuerpo de presa) Hidráulica Turbidez del agua Turbidímetro Determinar la turbidez del agua aforada para Subpresiones y presiones intersticiales Piezómetros: abiertos o drenes con manómetros y cerrados eléctricos Registrar: la presión actuante sobre la superficie de apoyo de la presa con la cimentación (para obtener la ley de subpresiones) y la presión de poros en el propio hormigón. Volumétrica y Química Térmica Variaciones volumétricos en el hormigón Termómetros y extensómetro corrector Medir las temperaturas y las deformaciones unitarias en el hormigón, no debidas a las tensiones Variaciones de las características del hormigón Temperatura del hormigón del cuerpo de la presa Extracción de muestras y análisis en laboratorio Caracterizar el estado del hormigón Termómetros eléctricos fijos (embebidos) Conocer la evolución de la temperatura del hormigón y el comportamiento térmico de la estructura Tensional Extensómetros eléctricos, conocidos Tensiones en la estructura de hormigón o en la cimentación. Método indirecto (4) también como rosetas extensométricas (de cuerda vibrante o de resistencia óhmica). Tensiones en la estructura de hormigón. Método directo Células de presión total (con transductor eléctrico de cuerda vibrante o neumático) Aplicar la teoría elástica para determinar tensiones en el cuerpo de la presa o en la cimentación, a partir de las deformaciones unitarias medidas en varias direcciones y las constantes mecánicas propias del medio a controlar (módulo de Young, coeficiente Poisson, etc.) Registrar directamente las tensiones en el cuerpo de la presa, con lo cual se facilitaría la toma rápida de decisiones, pero hasta la fecha estos instrumentos han producido muchos inconvenientes. Notas: (1). Método poco usado actualmente. (2). Juega un papel muy importante en el caso de presas delgadas con gran curvatura vertical y sin galerías (3). Método utilizado ocasionalmente (4) Método más fiable que el directo, pero requiere de ensayos en laboratorio para determinar las propiedades del medio a controlar.