Texto completo

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• 1. Introducción

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Presas

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"Nada en el mundo es más flexible que el agua.

Pero cuando ataca lo firme y fuerte, nada puede

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“Es más fácil entender el movimiento de los astros que el del agua” (Galileo Galilei)

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Las presas hoy en día causan una gran controversia para su construcción y desarrollo desde el punto de vista social, ambiental y económico.

Se desplazan personas.

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Parece paradójico por otra parte que diversos organismos a nivel mundial impulsen seriamente la construcción de proyectos que suministren energía con fuentes renovables; el tratado de Kyoto ha establecido la necesidad de reducir:

Proyectos que generen energía con fuentes contaminantes.

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A pesar de la controversia:

La energía hidroeléctrica contribuye con el 20% de la generación de energía en el mundo.

Han evitado el consumo de 22 mil millones de barriles de petróleo en el mundo.

64 países dependen de la generación hidroeléctrica.

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En términos generales, en el mundo hay 100,000 grandes presas; se han registrado 36,000 para el inventario global.

22,000 construidas en China. 6,600 construidas en EEUU. 4,300 en India.

2,700 en Japón.

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FLEXIBLES

Tierra Enrocamiento Materiales Graduados

RÍGIDAS

Gravedad Arco

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Hay 15,800 reportadas para fines estadísticos, la distribución es:

Tierra y Enrocamiento Concreto y Mampostería

10 650 (67.4%) 5150 (32.6%)

Tierra Enrocamiento Gravedad Arcilla Concreto Mampostería

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La primera presa construida fue SAAD-EL KAFARA, en el Valle del Nilo, en el año 2500

Las obras hidráulicas se inician cuando el hombre se propone dominar los escurrimientos de los ríos, para protegerse de sus crecientes y aprovecharlos para su beneficio.

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La construcción de presas fue evolucionando, muchas de ellas fallaron pero se perfeccionaron para construirse con los elementos que les dan la seguridad y funcionalidad con la que hoy las conocemos.

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Diferencias

En los Escurrimientos

Ocurren variaciones significativas en el tiempo y el espacio. Después de intensas precipitaciones (generalmente debidas a ciclones), ocurren grandes períodos de estiaje

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Se han construido y se requieren para:

Modificar la desigual distribución en el tiempo.

Con los Acueductos y las Conducciones, la mala

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Indudablemente guardar el agua cuando hay para utilizarla cuando se necesita.

El control de avenidas con la consecuente protección a vidas y propiedades.

Utilizarla y distribuirla por medio de canales en distritos de riego y acueductos.

Generar energía eléctrica tan vital hoy en día.

Las presas a pesar de la controversia, hoy en día son muestra de desarrollo regional o

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Tres gargantas:

Altura H= 181 m.

Superficie A= 25,900 has. Afectación inicial 846,000 personas. Afectación final 3,000, 000 personas.

Capacidad inicial 18,200 MW; (26x700MW). Capacidad total 22,400 MW

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En zonas áridas:

recargar los acuíferos

Reciclar las aguas industriales Mejorar eficiencia en el

uso de agua

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El hombre y el ingeniero cuando del agua se trata, se enfrenta a tres problemas básicos a resolver:

Calidad. Escasez.

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La población mundial se incrementa a un ritmo tal que cada 10 años hay 1000 millones de seres humanos adicionales a los que debemos darles:

Vivienda

Infraestructura Trabajo

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4% de la población utiliza de 300 a 400 litros por habitante/día. 67% de la población utiliza menos de 50 litros por

habitante/día.

Agua Utilizada Distribución

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Recursos Hidráulicos

Las poblaciones se desarrollan en donde existen pocos recursos hidráulicos.

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El Fuerte (13635) Sinaloa (1113) Culiacan (2087) San Lorenzo (1661) Acaponeta (1362) Santiago (16519)* Armeria (901) Coahuayana (1579) Balsas (24944) Papagayo (4386) Verde (4799) Tehuantepec (2606) Suchiate (2648) Hondo (738) Usumacinta (125818)* Candelaria (1620) Grijalva Tecolutla (5908) Cazones (1459) Panuco (19087) Soto La Marina San Fernando (4520)* Bravo (7640) Nazas* (2508) Aguanaval Lerma Tuxpan (2579) Yaqui (5259) Ameca (1573) Ometepc (5843)

Vertiente del Pacífico

Volumen Medio Anual Total

128 454 Mm3

Vertiente del Golfo

Volumen Medio Anual Total

256 738 Mm3

6 293 Mm3

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En México las presas almacenan cerca de 150,000 Mm³ (del orden del 35% del escurrimiento).

Aquí, cabría hacer mención de la imperiosa necesidad que tenemos para tratar de ofrecer muchos más proyectos que nos permitan regular el agua y entregarla con la calidad y cantidad con la que la requerimos

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Las presas en México pertenecen al gobierno a través de:

La Comisión Nacional del Agua.

La Comisión Federal de Electricidad.

La entonces Secretaría de Agricultura y Ganadería.

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Presas Construidas en México

Dependencia Años Número de presas con

altura mayor a 15 m.

Privadas para Riego - 90

Comisión Nacional de Irrigación 1926 173

Secretaría de Recursos Hidráulicos 1947-1976 100 Secretaría de Agricultura y Recursos Hidráulicos 1976-1988 130

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En 1889 se instaló en Batopilas, Chihuahua, la primera hidroeléctrica en México (22 kilowatts de potencia) y 20 años después las presas de Tenango, Necaxa (31 500 kilowatts) y Los Leyes (éstas con materiales graduados), para la Mexican Light and Power Company. La construcción de la presa La Boquilla, Chihuahua, inició en 1910.

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Presa Infiernillo, Guerrero

Río Balsas

Año 1963

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Presa Ambrosio Figueroa, Guerrero

Río Papagayo

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Presa Plutarco Elías Calles, Sonora Río Yaqui Año 1964 Propósito Generación y control de avenidas Presa Netzhualcoyotl, Chiapas. Río Grijalva Año 1964 Propósito Generación y control de

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Presa La Angostura, Chiapas

Río Grijalva

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Presa Chicoasén, Chiapas.

Río Grijalva

Año 1980

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Presa Peñitas, Chiapas.

Río Grijalva

Año 1987

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Presa El Caracol, Gro.

Río Balsas

Año 1988

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Presa Aguamilpa, Nayarit

Río Santiago

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Presa Zimapán, Hidalgo, Querétaro

Río Moctezuma

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Presa Huites, Sinaloa

Río Fuerte

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• 1. Introducción

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Según el Comité Internacional de Grandes presas (ICOLD,1995), se define como falla o ruptura:

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Los antecedentes de publicaciones del ICOLD (1974 Y 1983), plantearon dos preguntas interesantes:

1. ¿Cuales son los principales procesos o mecanismos que causan incidentes? 2. ¿Que progresos se han hecho en términos generales en los últimos años para

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La filosofía de estas aseveraciones se refiere a la estabilidad de las presas, no obstante cabe preguntarse si se consideran:

Avenidas excepcionales que contemplan los efectos del acarreo de grandes volúmenes de sólidos que transportan sedimentos.

Sismos de gran intensidad.

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La respuesta debe darse en el sentido de que para un alto rango de avenidas y sismos considerados como “máximos creíbles”

La seguridad de presas debe garantizarse sin exceder desde el punto de vista económico las medidas de seguridad.

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La seguridad de presas ha despertado una preocupación plenamente justificada a nivel mundial.

La súbita liberación de miles de toneladas de agua sobre asentamientos humanos puede causar enormes pérdidas humanas y materiales, además de graves daños al medio ambiente.

La seguridad de presas depende principalmente de tres factores:

Diseño

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Diseño. Los criterios usuales de factores de seguridad, empleados a la

fecha, están empezando a ser cuestionados, usándose cada vez más los criterios probabilísticos, los cuales son más científicos y en los que está inherente el concepto de confiabilidad.

Es importante señalar que debe implantarse un panel que revise el diseño del consultor o grupo que lo efectúa y que lo haga oportunamente.

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Construcción. Es probablemente el aspecto más difícil de todos, ya que en

la mayoría de ellas, existen compromisos políticos y sociales que obligan a cumplir un programa en tiempo y costo que en muchas ocasiones no son compatibles con la calidad requerida en las bases de diseño. Además el aspecto de supervisión presenta variaciones o cambios aún en los mismos países e instituciones.

Mantenimiento y operación. El grupo diseñador y consultor, así como el

supervisor deben formar parte del comité de inspección de las presas que se están revisando, ya que conocen y están íntimamente ligados al proyecto y los detalles que lo componen; lamentablemente estos aspectos pocas veces se toman en cuenta.

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Las lecciones aprendidas sobre fallas de presas en el pasado, proporcionan información valiosa para los diseñadores que buscan

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Se encontraron 107 casos de falla totales: 61 fallas ocurrieron por desbordamiento:

Durante la construcción 11 presas de tierra (T y E) y

enrocamiento y 2 en presas de concreto y gravedad (C y G) fallaron.

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( 107/15800 = 0.6772 %)

Se señalaron 145 incidentes hidráulicos; 43 en T y E (43/145 =30) y 18 % en C y G (18/145=12.4 %).

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Número de presas...15,800 No. presas con deterioro...1,105 No. fallas totales...107 No. incidentes hidráulicos...145 Incidentes en T y E...88

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No. fallas en C y G...18 Relación fallas por desbordamiento ...61/107= 57 % Considerando factores hidráulicos:

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Las tres principales causas de falla en las presas son: El desbordamiento.

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La presa South Fork, Johnstown, en 1889.

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En 1972 fue la presa Canyon Lake en Rapid City, USA.

En china, en 1975 fallaron las

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La presa Oros en

construcción en Brasil en 1960.

La presa Panshet en la India en 1961.

La presa Sempor en Indonesia en 1967.

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La migración de materiales y el consecuente desarrollo de vacíos son tan graduales que no permiten ser detectados hasta que se encuentran muy avanzados.

Una causa común de falla ha sido la perforación regresiva (tubificación), por fugas debidas a gradientes hidráulicos controlados inadecuadamente, lo cual ocurre con frecuencia a lo largo de ductos enterrados y en los puntos de contacto con

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Los suelos de arcilla dispersiva pueden tener resistencia especialmente baja a la erosión, la falla de la presa Nahal Oz en Israel en 2001 se le atribuyó este tipo de debilitamiento.

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A este fenómeno se le atribuyó la falla de la presa Sheffield en California en 1925 y la presa Van Norman también en California, USA en 1971.

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Por otro lado las fuerzas sísmicas han provocado la licuefacción de los materiales no cohesivos de grano fino en los terraplenes y en las zonas de cimentación; en México en el 2010, el canal de Mexicali falló por esta condición.

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Fue una presa de relleno de tierra de 123 metros de altura construida sobre el río Teton, en Idaho.

La investigación de la brecha posterior a la falla reveló fracturas muy abiertas en las caras de la trinchera clave del apoyo derecho, la cual tenía un relleno de limo eólico frágil y altamente erosionable. La roca bajo la capa de inyección del

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La excavación, revisión y prueba de la cimentación

permitieron entender los mecanismos de la falla, la cual

resultó en la erosión y el colapso del relleno

desprotegido de la trinchera clave.

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En cuanto a fallas de cimentaciones que han sido asociadas con accidentes y fallas de presas de concreto incluyen planos débiles.

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Entre los casos mas notables se encuentran la presa Austin en Pennsylvania en 1911.

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La presa Tigra en la India en 1917.

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Se encuentra ubicada sobre el río Canoas en el estado de Santa Catarina, Brasil. Fue inaugurada en el 2007 con una altura 202 m, lo que a convierte en la tercera presa más alta es su tipo en el mundo.

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Construida sobre el río Reyran en el sudeste de Francia, era una presa de concreto tipo arco de 66.5 metros de altura, cimentada principalmente sobre gnéis, pero con tendencia esquistosa en el apoyo izquierdo y en la parte inferior del apoyo derecho.

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NÚMERO DE PRESAS CLASIFICADAS SEGÚN SU ALTURA DE CORTINA 109 726 1422 491 439 175 66 12 5 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 No. P R E S A S BORDOS GRANDES 828 GRANDES PRESAS

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PROPIETARIOS DE LAS PRESAS EN MÉXICO Particulares 863 Presas Gobienos Estatales 316 Presas CILA 5 Presas CFE 56 Presas Asociación de Usuarios 1225 Presas 26.08 % 37.02 % 25.50 % 0.15 % 9.54 % En la base de datos se tienen 3308 registros con propietario

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Deslizamientos. El dique Pescaditos en Temascal (Presidente Alemán) y El

Estribón (Jalisco).

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Erosión de taludes. Debido al oleaje, se presentó pérdida parcial del

enrocamiento; en la presa Abelardo Rodríguez (Sonora) y El Azúcar (Tamaulipas).

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Presa Piedra Blanca, Coah. Segunda Falla, 2007.

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Desbordamiento. La presa del Conejo debido al desbordamiento de la presa

de La Llave en Irapuato.

Fugas en conductos enterrados. En la presa Santa Ana, se sospecha que la

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La Venta Gro. En 1967 se presentó una avenida de 11,800 m3/s que provocó

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El Infiernillo Mich. En octubre de 1967 se presentó una avenida de 25,200

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Hay varias presas en México que han alcanzado su vida útil o están cerca de hacerlo y a la fecha presentan problemas serios por azolvamiento.

Esto, reduce necesariamente su capacidad de regulación y ocasionan sobre la cortina empujes estáticos y dinámicos (por sismos de gran intensidad) no considerados en el diseño original.

Hay varias presas que fueron diseñadas hace más de 30 o 40 años, en las que las condiciones hidrológicas han cambiado o bien los criterios de diseño, no corresponden a los actuales.

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Como ejemplo pueden mencionarse las presas Tuxpango (Ver.), Mazatepec (Pue.), Santa Rosa (Jal.) y otras.

PRESA SANTA ROSA, JAL. PRESA TUXPANGO, VER

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Modificación y obstrucción de

las obras de excedencias.

Obstrucción de los vertedores

Presa Ojocalientillo, Ags.

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Falla de las presas debido a

obstrucciones de los vertedores.

Riesgos de falla debido a la falta

u

obstrucciones

de

los

Presa Ateto, Zac.

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Desarrollo de asentamientos

humanos y zonas recreativas

aguas abajo de las cortinas.

Presa Madín, Méx.

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Necesidad de almacenar agua por arriba de los niveles establecidos,

mediante la colocación de agujas

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En las presas con embalses grandes el riesgo es mayor, ya que el retiro de

las agujas puede llevar un tiempo bastante largo y durante esta maniobra

la ocurrencia de una avenida extraordinaria podría presentarse antes de

retirar todas las agujas

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Falta de información hidrológica durante la etapa de diseño

En presas que tienen más de 30 años en operación, no es raro que se

presenten avenidas mayores a la de diseño, ya que éstas se estimaron con

poca información y por métodos que en la actualidad han sido mejorados

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Presa La Fronteriza, Ciudad Juárez, Chih.

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Los eventos relevantes de la avenida de 1990 fueron: Se inundó el recinto entre la

ataguía y la presa retrasándose la construcción por no haberse terminado la pantalla impermeable.

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Se presentó un caído de 20,000 m3 de roca en el túnel no. 2 que

provocó un golpe de ariete de 250 m de altura el cual salió por la lumbrera de cierre provisional, afortunadamente la misma sobrepresión y el gran caudal ayudaron a retirar el material producto

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Durante el estiaje de 1991 se

efectuaron amplias

reparaciones en ambos túneles que llevó a colocar anclaje y concreto lanzado en una longitud promedio de 330 m en cada túnel.

Esta acción sin duda permitió soportar con éxito el evento de

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Avenidas de 1992:

El fenómeno del Niño produjo lluvias inusualmente persistentes en la mayor parte

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Se presentaron dos avenidas extraordinarias:

Ambas fueron mayores que el máximo registrado en 50 años anteriores.

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ataguía y puso en entredicho su estabilidad.

Por otra parte causó estragos en la cortina que estaba parcialmente cubierta con losas

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Las condiciones de la presa en las obras de contención eran:

Las losas de concreto estaban colocadas hasta la elevación 94 msnm.

La cara de la presa estaba

protegida con un riego de asfalto hasta la cota 120 msnm.

De la 120 a la 124 estaba

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La primer avenida extraordinaria abarcó del 16 al 20 de enero.

Se presentó un gasto pico instantáneo de 10,880 m3/s que

corresponde a un gasto máximo medio diario de 9,334 m3 /s.

El nivel del río aumentó de la elevación 70 msnm el día 15 a la cota 86 el día 17 y alcanzó la

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El ritmo del agua creció en su

ritmo de ascenso y

aparecieron lloraderos a través de la ataguía a la elevación

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A fin de evitar el colapso de la

estructura, se tomó la decisión de de abrir un tajo en la corona del dique fusible. El cual empezó a degradarse y el agua entró al recinto como estaba

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Durante la avenida el nivel del río alcanzó la elevación 75 msnm aguas abajo y el agua estuvo a punto de entrar al túnel de desfogue en construcción lo cual hubiera provocado la inundación de la caverna donde se aloja la casa de máquinas. Para evitar esto se sobreelevó urgentemente un muro de contención que evitó esta

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La segunda avenida se presentó en la noche del día 25 de enero con un gasto máximo de 7,700 m3/s alcanzando el río la cota

112.40 msnm entrando

nuevamente en el recinto de manera franca por el bordo fusible (cota 108).

A partir del día 27, el río descendió hasta alcanzar el

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Comportamiento de la ataguía: El agua se almacenó en el lado aguas abajo de la ataguía, lo cual no estaba previsto en el diseño original. El nivel máximo de agua que se alcanzó fue la 123.60

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Deformaciones:

La deformación máxima de la ataguía fue de 15 cm en el centro y la zona donde se ubica el aluvión; estos

asentamientos se

incrementaron en 5cm en el siguiente mes.

Las inundaciones produjeron un retraso cercano a tres meses en la construcción de

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La decisión de haber construido el dique fusible permitió no perder la ataguía aguas arriba, recuperar la obra de desvío y tener el retraso de solo unos meses en el programa de construcción de la obra contra la

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Riesgo de falla por desbordamiento:

Al analizar la información hidrológica actualizada, se encontró que el mínimo error cuadrático corresponde a la distribución Doble Gumbel.

Cabe hacer notar que el gasto original de diseño de 6,770 m3 /s

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Riesgo de falla por desbordamiento:

La probabilidad de que se presente este gasto es de: P=1- 1/Tr=0.96

La probabilidad de falla real es de: PF= 1-0.96=0.04

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Función de comportamiento ante avenidas:

La función básica de comportamiento se adoptó como: Fu= Hp-hg ; donde:

Fu: es la función de comportamiento

Hp: la altura de la presa (que es un valor fijo).

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Condiciones constructivas:

Los túneles de desvío se construyeron con una sección media de b=8.00m (total de 16.00m).

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Al considerar solo los tramos de portales de entrada, salida y algunos tramos en los que se colocó concreto lanzado, se obtuvo una condición equivalente de rugosidad neq=0.0232

La rugosidad equivalente conjunta real en los túneles al considerar la longitud total excavada en roca y los tramos antes dichos, tuvo un

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La función de comportamiento se expresó como:

Fu= Hp-hg = Hp- [Qp2 (0.0000476/b2.40)+ 0.776694n2/b3.7337+

Qp(-0.00185/b0.7047+ 0.085n2/b1.511)+2.1642b0.999+0.00252n2b0.71139]

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Resultados obtenidos:

Al aplicar la distribución Doble Gumbel, se encontró que el Tr real del sistema (con las condiciones constructivas antes dichas) es de 126 años.

PF=0.007913; =2.4133 n=0.0327; b= 8.544m

(115)

Esta probabilidad de falla es 5 veces inferior a la de referencia de 0.04 obtenido como punto de comparación en el análisis determinístico.

Es decir, en la realidad al hacer un análisis probabilístico, se incrementa la seguridad real del conjunto al pasar de un período

(116)

El gasto pico se incrementó

realmente del original de diseño QP= 6,700 m3/s.

(117)

Al representar las condiciones finales en el embalse se tienen las siguientes condiciones:

Gasto pico:

QP= 9,334 m3/s; Tr=311 años.

Una elevación máxima a la 123.60 msnm. Las condiciones de falla son:

PF=0.003218;

 =2.7255; n =0.0327;

(118)

El período de recurrencia conjunto real que se presentó en el sitio es de 327 años, el cual es 13 veces superior al de referencia original.

Es decir el fenómeno natural fue significativamente superior a cualquier previsión posible hecha o tomada por los ingenieros.

(119)

Lo que se puede hacer sin duda es colocar además de los

tratamientos de roca

necesarios por condiciones geotécnicas, medidas simples. Una de ellas es colar una plantilla de concreto hidráulico de regularización en el piso que permite tener mucha limpieza

en la obra y mejorar

significativamente el coeficiente de rugosidad conjunto del

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• El coeficiente de rugosidad equivalente del proyecto

pasa a ser de n

eqr

=0.0326 a n=0.0292

• Sí además se coloca concreto lanzado en toda la

sección del túnel, lo cual es complicado pero

factible, la rugosidad equivalente pasa a ser

n

eq

=0.0252.

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El sistema trabaja con estos valores: Para neq=0.0252, b=8.559m

PF=0.002312; =2.8392; QP= 9,617 m3/s

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Respecto al análisis de Aguamilpa en particular, se encontró que:

En enero de 1992 el fenómeno meteorológico del Niño, causó serias perturbaciones en el occidente de México.

En Aguamilpa se presentaron dos avenidas extraordinarias que produjeron inundaciones del recinto comprendido entre la ataguía y la

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Se puede concluir respecto a este tema que:

Las dos avenidas extraordinarias pusieron en evidencia el excelente comportamiento de la presa en lo que a permeabilidad se refiere. La alteración de la cara fue notoria en algunas zonas, pero jamás se puso en duda la integridad de la cortina.

La inclusión del dique fusible en las últimas etapas del diseño, salvó la ataguía de un desbordamiento incontrolado que muy probablemente hubiera provocado su colapso.

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Respecto al análisis probabilístico se puede concluir que:

La probabilidad de falla real del sistema conjunto arroja un valor de falla 5 veces inferior al obtenido con el criterio determinístico.

Las condiciones de falla reales que se presentaron en el sitio es de 327 años, el cual es 13 veces superior al de referencia original.

El fenómeno natural fue significativamente superior a cualquier previsión posible hecha o tomada por los ingenieros.

(125)

Con solo colocar concreto hidráulico en la plantilla se incrementaba la seguridad un 3.9% y pasa de 126 a 168 años.

Al colocar además concreto lanzado en las paredes de los túneles, el incremento en seguridad que se logra es de un 12.9% y alcanza un valor de 433 años.

Estas medidas deberán generalizarse en el diseño y construcción de presas, ya que son simples, ofrecen condiciones constructivas seguras y limpias y además permiten incrementar significativamente la seguridad de

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(127)

1. El mayor número de deterioros ocurre en presas de tierra y enrocamiento.

2. La mayor incidencia en cuanto a fallas se refiere es por desbordamiento ante avenidas con un 61 de 107, de las cuales 43 ocurrieron en presas de tierra y enrocamiento y 18 en presas

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3. Ante las fallas por desbordamiento, es urgente revisar las presas en construcción y operación que no hayan tomado en cuenta para el diseño una base de riesgo de falla.

4. Se requiere establecer un criterio que permita identificar presas construidas con un alto riesgo potencial de falla.

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6. Es urgente normar la seguridad de presas.

7. Como en otros países sucede, debe establecerse desde el punto de vista institucional y necesariamente, con organismos independientes que tengan la, ejecutividad necesaria para que se corrijan los aspectos negativos encontrados en las inspecciones y análisis de detalle.

8, Habrá que revisar cuidadosamente el ordenamiento territorial en el país para tomar varias decisiones que son urgentes para garantizar vidas y

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Referencias

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