IV Jornadas de Ingeniería del Agua La precipitación y los procesos erosivos Córdoba, 21 y 22 de Octubre 2015

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Estudios de rotura de presas y balsas.

El avance en las herramientas y técnicas disponibles

para modelación de propagación de las avenidas y la

asignatura pendiente de la rotura del dique

F. Javier Caballero, Ricardo M. Monteiro, Rafael Morán, Miguel A. Toledo Departamento de Ingeniería Civil: Hidráulica, Energía y Medio Ambiente

Grupo de Investigación en SEguRidad de Presas y Aliviaderos (SERPA)

Universidad Politécnica de Madrid (UPM)

E.T.S.I. de Caminos, Canales y Puertos. C/ Profesor Aranguren s/n. 28040 Madrid, España

Jesús Guerrero González Técnicas del Medio Ambiente y del Agua (TECMA S.A.)

C/ Rodríguez San Pedro 42. 28015 Madrid, España

1. Antecedentes. justificación y objetivos

Los estudios de propagación de avenidas generadas por rotura de presas han sufrido una

evolución muy importante en el último lustro, tanto por la disposición de nuevas bases

cartográficas, accesibles a todos a través de internet, como por la evolución de los

métodos y el software de modelación de dichas propagaciones.

Además existen hoy día una serie de disciplinas, herramientas e información

complementaria que pueden aplicarse para facilitar la redacción de dichos estudios y

simplificar la toma de decisiones, tanto para el ingeniero autor de los mismos como para

la Administración competente de su aprobación.

Debe destacarse que una gran cantidad de dicha información puede obtenerse de forma

libre o gratuita.

2. Evolución de los modelos de propagación de avenidas

Resulta evidente que uno de los mayores progresos realizados en los estudios de

seguridad de presas y balsas en referencia a la propagación de las avenidas generadas por

la simulación de sus roturas se ha producido con la generalización, en el último lustro, del

empleo de los modelos bidimensionales o 2D, que han propiciado la obtención de zonas

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inundables más “realistas” que las obtenidas hasta entonces, gracias a la capacidad de

estos nuevos modelos de propagar el flujo de forma multidireccional.

Además, la metodología de cálculo de estos modelos, mediante polígonos sobre un

modelo digital del terreno (MDT) permite obtener resultados en toda la superficie

inundable, y no solo en una sección, pudiendo discernir mejor las zonas de riesgo

definidas en la Guía Técnica en función de la dupla calado-velocidad.

Esto ha permitido que muchas infraestructuras que originalmente pudieran haberse

clasificado en categoría A hayan sido finalmente clasificadas en categorías inferiores.

Así, los procedimientos de modelación empleados hasta hace no más de cinco-seis años se

ajustaban exclusivamente a las recomendaciones de la Guía Técnica para Clasificación de

Presas en Función del Riesgo Potencial (en adelante Guía Técnica), simulando, en el mejor

de los casos, la rotura de la presa y la propagación de la onda correspondiente mediante el

empleo de modelos unidimensionales como el DAMBRK o el FLDWAV, resultando estos los

más completos propuestos por la Guía Técnica para su empleo.

Sin embargo, la generalización en el mercado de los modelos bidimensionales como

INFOWORKS RS (o ICM versión más actual), GUAD 2D, IBER, etc. permitió, inicialmente,

simular la propagación de la onda de avenida generada por dicha rotura (cuyo hidrograma

se seguía obteniendo mediante los modelos anteriores), aspecto que se ha ampliado

recientemente con la inclusión de módulos de rotura de presas y balsas en dichos modelos.

Figura 1. Hidrograma de rotura de balsa obtenida con DAMBRK en hipótesis H1 e inundación

máxima obtenida con INFOWORKS en núcleo urbano (caudal punta de 11 m3/s)

Otra de las ventajas que presentan este tipo de modelos es su conexión con Sistemas de

Información Geográfica, ya que suelen ser compatibles con AutocadMap, ArcView y

MapInfo. En este aspecto, existen modelos, como INFOWORKS, en los que el GIS se

encuentra “embebido” en el modelo, el programa posee un motor GIS propio no siendo

necesaria la importación-exportación de archivos entre Modelo GIS y Modelo hidráulico

(como por ejemplo ocurre con el HEC-GeoRAS).

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En cualquier caso cualquiera de estos modelos permite la representación intuitiva de los

datos mediante vistas geográficas, secciones, perfiles longitudinales, tablas y gráficos

temporales, pudiendo acceder a .los datos de la simulación desde cualquier vista gráfica o

tabla del mismo.

Figura 2. Planta de calados en situación de inundación máxima y evolución del calado en sección del

núcleo urbano a lo largo de la propagación de la onda de rotura

3. Herramientas y técnicas complementarias disponibles para

su empleo

3.1. Herramientas disponibles en internet

3.1.1. Bases de datos cartográficos

Tradicionalmente, una cartografía adecuada ha resultado ser un elemento fundamental

para una correcta modelación de la propagación de una avenida. En la actualidad, con los

medios de modelación disponibles, la cartografía ha adquirido aún más protagonismo,

hasta el punto de que el mismo modelo con diferentes bases cartográficas de distinta

precisión puede arrojar resultados tan diferentes que provoquen una variación

significativa de la llanura inundable y por lo tanto, pueden encuadrar la infraestructura en

estudio en categorías en función del riesgo potencial diferentes.

Así, se encuentran disponibles de forma libre en las páginas web de infraestructura de

datos espaciales de las distintas Comunidades Autónomas diferentes modelos

cartográficos, entre los que se puede destacar el modelo digital del terreno (MDT)

obtenido a partir de la ortofoto del PNOA (Plan Nacional de Ortofotografía Aérea) con una

precisión de un punto por cada 5x5 m2.

En zonas con relieves más o menos pronunciados y con un adecuado apoyo de campo este

MDT suele ser suficiente para la modelación de la propagación de cualquier onda de avenida

generada por una rotura.

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Sin embargo, en zonas más llanas o con menor variación de cota el MDT 5x5 m2 puede no

ser suficiente si existe alguna zona conflictiva. En este sentido debe indicarse que el

Instituto Geográfico Nacional (en adelante IGN) posee un modelo de precisión de un

punto cada 2x2 m2 que abarca casi toda la España. Este modelo se encuentra sin tratar

pero con un procesado previo y un adecuado apoyo de campo arroja un MDT de elevada

calidad más que suficiente para cualquier estudio de propagación de avenidas.

Figura 3. Vista 3D de la cartografía 5x5 m2 empleada a la izquierda. A la derecha con ortofoto sobre

la misma

Este modelo ha sido empleado en la ejecución de los trabajos de modelación hidráulica

del Sistema Nacional de Cartografía de Zonas Inundables (SNCZI) en diversas cuencas

hidrográficas de este país, con resultados excelentes.

3.1.2. Otras bases de datos GIS para la definición del terreno

Además de las bases de datos cartográficas existen otras bases de datos en formato GIS de

mayor o menor utilidad en la realización en la ejecución de los modelos hidráulicos de

propagación.

Así, un aspecto que se debe conocer para la definición de cualquier modelo de

propagación hidráulica son las diferentes rugosidades del terreno tanto en el cauce como

en las márgenes del mismo. Para ello, se puede disponer, a través del IGN de los polígonos

de rugosidad del Corine Land Cover 2006.

Con estos elementos se crea una capa shape de usos del suelo y a la que se pueden

asignar diferentes rugosidades. Para ello se puede emplear la “Guía Metodológica para el

desarrollo del Sistema Nacional de Cartografía de Zonas Inundables” (MMARM, 2011) en

la cual se incluye una tabla que asocia los usos del suelo del CLC con un número de

Manning.

Otra base de datos en referencia a las rugosidades del terreno es el SIOSE (Sistema de

Información sobre Ocupación del Suelo de España) cuyo objetivo principal era generar una

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base de datos de Ocupación del Suelo para toda España a escala de referencia 1:25.000,

integrando la información disponible de las comunidades autónomas (CCAA) y la

Administración General del Estado (AGE).

El proyecto comenzó en el año 2005 con la generación del SIOSE2005, cuya producción

finalizó en 2009. Durante 2010 y 2011 se realizo una actualización de la base de datos

SIOSE o SIOSE2009.

3.1.3. El Sistema Nacional de Cartografía de Zonas Inundables (SNCZI)

Una de las cuestiones habituales a la hora de realizar un estudio de propagación de la

onda de avenida generada por una rotura ha sido tradicionalmente: ¿dónde “cortamos” el

estudio?

Entre las herramientas oficiales que puede servir de apoyo para la toma de esta decisión

se encuentra el visor cartográfico de zonas inundables del SNCZI, que resulta el eje central

de los trabajos puestos en marcha por el Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio

Ambiente, siguiendo los principios de la Directiva 2007/60 sobre evaluación y gestión de

riesgos de inundación, y que se concibe como un instrumento de apoyo a la gestión del

espacio fluvial, la prevención de riesgos, la planificación territorial y la transparencia

administrativa.

El visor cartográfico del SNCZI permite a todos los interesados visualizar los estudios de

delimitación del Dominio Público Hidráulico (DPH) y los estudios de cartografía de zonas

inundables, elaborados por el Ministerio y aquellos que han aportado las Comunidades

Autónomas, así como los resultados del Mapa de Caudales Máximos realizado por el

CEDEX.

De esta formas podemos conocer los caudales de máxima crecida ordinaria (MCO)

“oficiales” en todos los cauces de la Península gestionados por el Estado de forma que se

podrá determinar el punto de finalización de cualquier estudio de propagación que se esté

realizando.

Además, puede resultar que el estudio de propagación de la onda de avenida generada

por la rotura de la infraestructura en estudio se lleve a cabo sobre un cauce que posea

resultados de zonas inundables del SNCZI (realizado para diversos periodos de retorno; 2,

5, 10, 50, 100 y 500 años) de forma que se puedan comparar las zonas inundables

obtenidas en dicho visor con las obtenidas en el estudio de rotura para caudales similares,

incluso adoptando los estudios “oficiales” del SNCZI en determinadas circunstancias.

Los usuarios pueden consultar la información del Dominio Público y Zonas Inundables a

través del enlace disponible en esta página, o directamente desde la URL:

http://sig.magrama.es/snczi/

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El visor sirve de ayuda a los organismos de cuenca en la emisión de informes sobre

autorizaciones en el DPH y zona de policía, en la gestión de avenidas en conexión con el

S.A.I.H. (Sistema Automático de Información Hidrológica) y en la planificación de las

actuaciones de defensa frente a inundaciones; agiliza la planificación y gestión de

inundaciones por los servicios de Protección Civil; facilita la transmisión de información

sobre zonas inundables a las administraciones competentes en planificación territorial y

empresas promotoras; y permite a los ciudadanos conocer la peligrosidad de una zona

determinada.

Figura 4. A la izquierda, resultado del SNCZI para un caudal de periodo de retorno de 100 (naranja) y

500 años (amarillo) y cuyos valores ascienden a 25 y 30 m3/s. Caudales obtenidos de CAUMAX

(fuente: iber.chebro.es/sitebro/sitebro.aspx). A la derecha inundación máxima obtenida con

INFOWORKS en núcleo urbano (caudal punta de 28 m3/s)

En el caso de la propagación de la onda de avenida generada por la rotura y que se

muestra en las figuras 1, 4 y 5 puede afirmarse que no se produce afección al núcleo

urbano en hipótesis H1, pudiendo afirmarse como dato complementario, gracias al visor

del SNCZI, que el caudal punta que atraviesa el núcleo urbano es inferior al de la crecida

de 10 años de periodo de retorno. En la hipótesis H2 la propagación si que afecta

claramente al núcleo urbano, pero a partir de la observación de los resultados del visor del

SNCZI puede afirmarse que la afección no es superior a la que sufriría la población en

situación de solo avenida (sin rotura de la presa) por lo que no existirán daños

incrementales y la presa o balsa podrá proponerse para su clasificación en la categoría C.

4.2. Técnicas complementarias

4.2.1. Geomorfología

Las formas del relieve son un reflejo directo de la acción de distintos procesos

geomorfológicos. Las morfologías fluviales presentes en los cauces, sus márgenes y zonas

inundables, presentan rastros e indicadores de la inundabilidad en los diferentes episodios

de inundación, pudiendo ser clasificadas cualitativa y cuantitativamente, y así, en base a

ello, establecerse diferentes niveles de peligrosidad frente a las inundaciones.

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Los procedimientos desarrollados en geomorfología son la comparación de imágenes

fotográficas de diferentes épocas y, a través de ellas, la localización e identificación de las

evidencias, formas y depósitos generados tras los episodios de inundación, todo ello

corroborado con datos de observación en campo. Los procedimientos son

complementarios, ya que la localización de evidencias en imágenes antiguas facilita en

gran manera la búsqueda y localización actual.

Figura 5. Evidencias geomorfológicas sobre vuelo americano y sobre vuelo LIDAR.

Las evidencias geomorfológicas identificadas se pueden agrupar, en función de su mayor o

menor durabilidad en el tiempo e independientemente de que sean erosivas o

sedimentarias, siendo evidencias indicadoras de la inundabilidad de los terrenos, puesto

que, por un lado, pueden reconocerse de forma relativamente rápida y sencilla mediante

una imagen LIDAR y trabajos de campo y, por otro, aportan información sobre la

inundabilidad más reciente y representativa de las condiciones actuales del terreno.

Figura 6. Zonificación geomorfológica sobre la ortofoto del PNOA y comparación de resultados de los

estudios hidráulicos y zona de flujo preferente geomorfológica.

Mediante esta disciplina puede determinarse:

1. El Dominio Público Hidráulico Probable (DPHP), configurado por todos aquellos terrenos

que en algún momento han formado parte del cauce histórico (canal de aguas bajas,

ribera y zonas con evidencias de alta y muy alta actividad fluvial).

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2. La ZFP engloba aquellos terrenos que con periodos de recurrencia frecuentes se ven

afectados por procesos fluviales, los cuales, como consecuencia de unos calados y

velocidades elevadas, pueden incluso generar formas erosivas y sedimentarias de

magnitud topográfica.

4.2.2. Estudios de tráfico

Otro de los aspectos frecuentes en los estudios de propagación de avenidas generadas por

la simulación de rotura de presas es la afección a vías de comunicación.

Hasta la fecha los organismos responsables de la tramitación y aprobación de estos

estudios han sido razonables en cuanto a la afección a vías con poco o muy escaso tráfico,

adoptando el criterio de que si verdaderamente la vía presentaba un tráfico escaso y

existía una ruta alternativa de acceso a las poblaciones que se veían afectadas por la

inundación de dicha vía el elemento de regulación podía mantenerse en la categoría C.

En este sentido la complicación aparece a la hora de justificar de forma económica, sin

necesidad de realizar un aforo en la vía, el tráfico de dicha carretera. Para ello existen

estudios de tráfico que, en muchos casos pueden consultarse a través de internet, así en:

http://www.fomento.es/MFOM/LANG_CASTELLANO/DIRECCIONES_GENERALES/CARRETE

RAS/TRAFICO_VELOCIDADES/ pueden obtenerse datos de las principales vías de

comunicación hasta nivel de red autonómica primaria.

Destacan también, a nivel autonómico, los mapas de tráfico y velocidades publicados casi

anualmente por la Junta de Castilla y León, que abarcan todas las vías de hasta segundo

orden de la Comunidad Autónoma.

3. El futuro ¿ nuevos modelos de rotura?¿hacia una revisión de

la Guía Técnica?

Resulta evidente el valor y utilidad que ha demostrado la Guía Técnica hasta la fecha en la

redacción y tramitación de centenares de propuestas de clasificación de presas.

Sin embargo no se debe olvidar que dicho documento fue redactado hace ya casi veinte

años, periodo en el que se han podido producir en mayor o menor grado avances en el

conocimiento y, fundamentalmente, un cambio en la realidad de las infraestructuras en

estudio, que han pasado de las ser grandes presas para las que se concibió la Guía Técnica

a pequeñas balsas para regadío o pequeñas presas a las que se les está aplicando un

documento no pensado inicialmente para estos estudios.

Así, unos de los aspectos en los que es frecuente una mayor crítica a la Guía Técnica es en

cómo aborda la obtención de los hidrogramas de rotura de las presas desde el punto de

vista de su formulación.

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En este aspecto, debe indicarse que el Grupo de Investigación en SEguRidad de Presas y

Aliviaderos (SERPA) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), el Centro

Internacional de Métodos Numéricos para la Ingeniería (CIMNE) y el Centro de Estudios

Hidrográficos del CEDEX han establecido en los últimos tiempos una alianza estable para la

investigación de diversos aspectos relacionados con la seguridad de las presas, siendo una

de sus tres líneas de investigación prioritaria la definición de mecanismos de rotura de

presas, tanto de los espaldones de escollera como de sus elementos impermeables

(núcleos, pantallas, etc.) y sistemas de protección para mejorar su seguridad.

Figura 7. Modelos físicos de rotura en laboratorio de la Escuela de Ingenieros de Caminos de la

U.P.M. A la izquierda, rotura de presa de espaldones de escollera con núcleo impermeable. A la

derecha rotura de presa de escollera con pantalla impermeabilizante aguas arriba. Fuente:

Seminario Internacional Protections 2014 ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.

Por ejemplo, y según se puede apreciar en la figura 8, para las presas de escollera con

pantalla la resistencia estructural del elemento de hormigón o de asfalto es el que rige el

proceso de rotura, produciéndose como se puede apreciar en la imagen roturas sucesivas

de la pantalla ante el “descalce” de la misma debido al arrastre de la escollera sobre la que

se apoya motivada por el sobrevertido.

Esto dará lugar a un hidrograma de rotura con episodios sucesivos de puntas resultando el

hidrograma final como la suma de las sucesivas roturas. Este tipo de rotura no es tenido

en cuenta de esta forma en la Guía Técnica. Además se ha observado que en este tipo de

presas uno de los parámetros fundamentales, tampoco tenido en cuenta en la Guía

Técnica, es el espesor de la pantalla.

Como puede apreciarse se están obteniendo ya resultados y la investigación continua por

lo que no es descartable que a medio largo plazo pueda proponerse una modificación de

la formulación actual de rotura de presas.

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En cualquier caso, no parece razonable emplear los mismos parámetros y mecanismos de

rotura independientemente de la subtipología de presa o balsa (una vez diferenciadas

entre hormigón o materiales sueltos) en la que se produzca la rotura.

Figura 8. Arriba, esquema de fallo en presa de escollera con pantalla Abajo, a la izquierda modelo

físico de rotura de presa de escollera [5]¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.. A la

derecha modelo numérico de Larese et al. [2]

Otro de los aspectos que debería valorarse dentro de las posibles aportaciones a una

nueva Guía Técnica sería la evaluación de los diferentes modos de fallo (sifonamiento,

sobrevertido, fisuración, etc.) y la probabilidad de ocurrencia de los mismos dependiendo

de la presa en estudio. En este sentido podría valorarse la introducción o enlace de dicha

publicación con la metodología del análisis de riesgos [6]

4. Conclusiones

Se ha puesto de manifiesto el importante avance realizado en los últimos años en la

modelación de la propagación de las ondas de avenida generadas por la rotura de

elementos de regulación como presas y balsas, fundamentalmente en la modelación de

las mismas mediante software bidimensional (2D) como INFOWORKS, IBER, GUAD2D, etc.

Además, existen numerosas herramientas de apoyo al redactor de los estudios y a la

Administración competente para la toma de decisiones tales como bases cartográficas, el

Sistema Nacional de Cartografía de Zonas Inundables (SNCZI), estudios de tráfico, etc.

Queda pendiente el salto cualitativo en un aspecto fundamental, la modelación del

proceso de rotura, a partir del cual se deriva todo el proceso de propagación de la onda de

avenida.

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En este sentido existen organismos tales como el Grupo de Investigación en SEguRidad de

Presas y Aliviaderos (SERPA) de la UPM, el Centro Internacional de Métodos Numéricos

para la Ingeniería (CIMNE) y el Centro de Estudios Hidrográficos del CEDEX que están

avanzando y realizando progresos con numerosos proyectos de investigación en marcha.

Uno de los objetivos a medio plazo a partir de todas estas herramientas complementarias

e investigaciones en proceso podría ser redefinir la Guía Técnica o establecer nuevos

criterios en función de la tipología de cada presa o balsa.

En este sentido podría valorarse también la introducción en dicha publicación de

elementos relacionados con la metodología del análisis de riesgos de cara a la evaluación

de los posibles modos de fallo de la presa o balsa.

Referencias

[1] Larese, A., Rossi, R., Oñate, E., Finite Element Modeling of free surface flow in variable

porosity media. Archives for Numerical Methods in Engineering DOI: 10.1007/s11831-

014-9140-x (2014).

[2] Larese, A.; Rossi, R.; Oñate, E.; Toledo, M.A.; Moran, R., Campos, H., Numerical and

experimental study of overtopping and failure of rockfill dams. International Journal of

Geomechanics (ASCE) (2013) http://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)GM.1943-5622.0000345

ISSN 1532-3641.

[3] Larese, A.; Rossi, R.; Idelsohn, S.R.; Oñate, E.A coupled PFEM-Eulerian approach for the

solution of porous FSI problems. Computational mechanics.50 - 6,pp. 805 - 819. (2012).

ISSN 0178-7675.

[4] Toledo, M.Á., Campos, H., Lara, Á. & Cobo, R. Failure of the downstream shoulder of

rockfill dams in overtopping or accidental leakage scenario. Dam Protections against

Overtopping and Accidental Leakage (CRC Press/Balkema) (2015) pp.89-100. ISBN 978-1-

138-02808-1

[5] Toledo, M.Á., Alves, R.M. & Morán, R. (2014). Structural failure of the clay core or the

upstream face of rockfill dams in overtopping scenario. Dam Protections against

Overtopping and Accidental Leakage (CRC Press/Balkema) (2015) pp.101-110. ISBN 978-

1-138-02808-1

[6] SPANCOLD. Guía Técnica de Seguridad de Presas Nº 8. Explotación de Presas y Embalses.

Tomo 1. Análisis de riesgos aplicado a la gestión de seguridad de presas y embalses.

SPANCOLD-CICCP 2012

[7] Varios autores. Guía Metodológica para el desarrollo del Sistema Nacional de Cartografía

de Zonas Inundables. Ministerio de Medioambiente, Medio Rural Y Marino 2011

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