El agua como riesgo natural

(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 66)

Vamos a ver algunos efectos que el agua puede llegar a producir:

Presas de agua de hormigón

El principal problema es la rotura de la propia presa. Todos tenemos en la retina las dolorosas imágenes en contadísimas ocasiones de la rotura de alguna presa. Las fuerzas principales a considerar en el proyecto y explotación de una presa son: Peso propio, empuje hidrostático del agua, esfuerzo térmico, cargas sísmicas, carga de hielo y nieve. En principio la fuerza a considerar es el empuje hidrostático. El máximo empuje hidrostático se da cuando se produce el máximo nivel de agua de explotación NMN y también en las avenidas NAP (de proyecto) y NAE (extrema). Otro aspecto a considerar en la estabilidad de la propia presa es el que tiene que ver con la estabilidad de los estribos. El estudio de estabilidad y de mantenimiento de una presa lleva consigo el estudio de gran cantidad de factores: El drenaje, la permeabilidad en el que no vamos a entrar por no extender demasiado este artículo. Un punto muy importante es la cohesión de la roca sobre todo en la zona de cimentación y en la de los estribos, para evitar el deslizamiento.

El deslizamiento se genera entre el material de relleno suelto de la cimentación y la roca del cimiento cuando hay diaclasas (fracturas no desplazadas) o planos de estratificación. En estos casos una solución es limpiar mediante taladrado esa zona de relleno y posteriormente se inyecta hormigón.

En ocasiones en los estribos de las presas se refuerza la zona de roca con cables de acero. Esto aumenta la cohesión de las rocas y de los estribos.

La superficie de cimentación ha de tener cierto buzamiento para mejorar el no deslizamiento de la presa.

Todo lo anterior es debido a que la consecución de roca entera no es siempre fácil debido a los propios procesos geológicos que generan fracturas sobre aquella incluso a profundidades superiores a 20 m. La anisotropía y heterogeneidad de la roca es la situación normal que nos vamos a encontrar. Las rocas se pueden clasificar en fracturadas, agrietadas y enteras según las tensiones principales sean desiguales y los esfuerzos cortantes muy grandes, iguales y esfuerzos cortantes menores. La unión entre roca y hormigón tiene que ser lo más plana posible, con encaje de ángulos pequeños pero con cierto apriete entre ambos elementos de unión. Si esto último no se consigue, en la zona de apoyo se producirán grietas y fisuraciones nunca deseadas. En cualquier caso, el arco de hormigón debe estar perfectamente empotrado en la roca.

Debemos definir dos conceptos resistentes en las rocas.

• La resistencia de pico o valor máximo de la tensión de compresión (Sigma = F/A) que se puede alcanzar a un valor de deformación de pico.
• La resistencia residual es el valor que presenta la tensión de compresión una vez alcanzada la resistencia de pico.

Antes de alcanzar la resistencia de pico, la roca tiene un comportamiento elástico.

La relación entre la tensión de compresión y la deformación de acuerdo a lo anterior, conduce al comportamiento de las rocas de dos tipos:

• Comportamiento frágil, en el que la resistencia de pico es muy superior a la resistencia residual. El comportamiento elástico de la roca se mantiene casi hasta la resistencia de pico. Las deformaciones no permitidas se alcanzan con una resistencia residual pequeña.
• Comportamiento dúctil, en el que la resistencia de pico coincide con la residual . El comportamiento elástico termina antes de alcanzarse la resistencia de pico. . Las deformaciones no permitidas llegan con una resistencia residual grande.

Sin embargo en el planteamiento indicado más arriba no hemos considerado la variable tiempo. Ante un esfuerzo inicial, la roca se comporta elásticamente (E = Sigma/épsilon, donde épsilon es la deformación lineal y E es el módulo de elasticidad de Young), posteriormente va aumentando linealmente la deformación alcanzándose un instante en el que la sección perpendicular al esfuerzo disminuye. Esta situación aumenta la deformación y la roca llega a romperse.

La rotura de las rocas se produce por:

• Esfuerzo cortante de una superficie sobre otra, en los taludes de roca.
• Compresión, en los pilares de soporte de galerías subterráneas.
• Flexión en techos de zonas cársticas.
• Tracción más infrecuente.
• Colapso en compresión isotrópica en rocas poco densas.

Asimismo es muy importante la compactación del terreno de la cimentación para minimizar los asientos de la presa sobre el terreno.

Riesgo de inundaciones en zonas urbanas

Este riesgo existe principalmente en los cauces de los ríos a su paso por enclaves de población. En estos casos conviene utilizar barreras físicas.

• Diques de tierra.
• Estanques de retención de aguas o tormentas, para almacenamiento temporal del agua descargada en un corto periodo de tiempo, como por ejemplo durante una tormenta.
• Canalización de cauces de ríos o bien canalización de cauces secos (se llenan de agua solamente durante las descargas de agua de lluvia, etc.
• Restauración de cauces de ríos y arroyos, mediante la utilización de escollera, arbolado, etc.

En cualquier caso, se ha de evitar la construcción de edificios cerca de los cauces de los ríos. Esto evita que el nivel del agua suba su cota más de lo debido en los cauces que quedan una vez urbanizado, al verse la sección transversal del mismo menguada.

El agua en los deslizamientos

El problema se produce en las laderas cuando estas se saturan de agua por las lluvias. Los suelos arcillosos situados en pendiente al recibir lluvias intensas dan lugar a avalanchas de barro. También por entrada de agua a cierta profundidad. Por otro lado, cuando en la base de la ladera se acumula y aquella disminuye su estabilidad llegándose a desplazar. Otro problema es la acumulación de nieve en las laderas con pendientes no muy pronunciadas. La tala de árboles en las laderas es perjudicial al no fijar el terreno y además varía la humedad del terreno.

Muros de contención

Los muros de contención deben soportar las corrientes de agua que se produzcan mediante los siguientes procedimientos:

• Construcción de acequias superficiales.
• Cobertura de cemento en la ladera.
• Mallado de alambre.
• Muros de contención con salida de agua.
• Aliviando la pendiente de la ladera con bancadas o superficies escalonadas.

Además del empuje de tierras el muro de contención debe soportar el peso del agua filtrada o superficial.

Subsidiencias urbanas

Son derrumbamientos que se producen generalmente o por descenso del nivel freático en periodos de sequía o por cercanía de conducciones de agua o acumulación de agua próxima.

Olas solitarias sobre el mar

Las olas solitarias se producen por interferencia de varios trenes de olas y pueden llegar a alcanzar muchos metros de altura.

Tsunamis

Estas olas se producen al obtener una gran proyección vertical. Se producen por los siguientes fenómenos de la naturaleza:

• Por erupción volcánica submarina.
• Por caída de un aerolito.
• Por un terremoto.

Japón está levantando una muralla de 12,5 m de altura y 400 km de longitud para la protección frente a tsunamis en la localidad de Kesennuma.

Las defensas deben ser capaces de atenuar el empuje de estas olas gigantes.

Malecones y espigones de costa

Estos dos elementos bien combinados son muy útiles. Los malecones o rompeolas disminuyen la energía de las olas que llegarían a las zonas habitadas. Los malecones producen erosiones en las playas próximas y los espigones impiden esto. Los espigones estabilizan las playas tan importantes para el turismo.

Una defensa natural es la Gran Barrera de Coral que protege una parte de la costa australiana.

Erosión de acantilado marino

El agua de mar va erosionando el acantilado con el consiguiente peligro de derrumbamiento de la zona superior del acantilado por pérdida de la base erosionada.

Anexo.- Cálculo del coeficiente de seguridad de una presa por analogía con un talud

El coeficiente C se define como relación entre las fuerzas resistentes de la presa dividido por las fuerzas que tienden al deslizamiento de la misma:

C = Fuerzas resistentes / Fuerzas tendentes al deslizamiento

Donde las Fuerzas resistentes son iguales a c.S + (P – A tg Fi)

En la que:

c es el coeficiente de cohesión de la superficie de la presa

S es la superficie de la base de la presa

P es el peso de la presa de hormigón

A es la fuerza ejercida sobre la base de la presa desde el terreno

Fi es el ángulo de rozamiento interno

Donde las Fuerzas tendentes al deslizamiento son en un caso sencillo iguales a E, empuje hidráulico del embalse sobre la presa.

Asimismo sabemos que los esfuerzos tangenciales y normales están relacionados por:

Tau = (Sigma – u).tg Fi’ + c’ en condiciones efectivas con u presión hidrostática del agua.

En condiciones con terreno drenado, Tau = Sigma. tg FI + c

Bibliografía

• Tratado básico de presas; Profesor Dr. Ingeniero Eugenio Vallarino Cánovas del Castillo, Ed. Paraninfo 1994.
• Saneamiento y alcantarillado, vertidos residuales; Aurelio Hernández Muñoz, Colegio Oficial de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, 5ª Edición 1997.
• Riesgos naturales. Procesos de la Tierra como riesgos naturales y catástrofes; Edward Keller, Robert H. Blodget, Prentice-Hall, Madrid 2007.
• Ingeniería Geológica; Coordinador Luis I. Gonzáles de Vallejo, Mercedes Ferrer, Luis Ortuño y Carlos Oter, Ed. Prentice Hall, Madrid 2002.