Revista Científica Unanchay ISSN 2953-6707
Volumen 1. Número 1. Año 2022.
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Análisis de la licuefacción estática en las presas de Edenville y
Sanford
Analysis of static liquefaction at the Edenville and Sanford dams
Ronald Luis Rangel-Reyes 1.
1
Resumen:
El articulo sintetiza el fenómeno de licuefacción estática presentado en las presas de
Edenville y Sanford, ubicadas en el Estado de Michigan en U.S.A., con el propósito
de analizar las realizaciones causales y las manifestaciones externas del evento a
través de la metodología de Árbol de Fallos y a la aplicación de los métodos histórico-
lógico y analítico-sintético. El proceso evidenció la multicausalidad del evento
categorizando los elementos causales como estructurales y no estructurales,
asimismo, se destaca la importancia de la gradación del material arenoso utilizado
para la conformación del cuerpo de las represas, el impacto de la disposición de los
drenajes en relación a con la saturación del material arenoso del cuerpo de las
represas, y la relevancia de la capacidad de regulación del sistema de represas en
eventos extraordinarios.
Palabras clave: licuefacción estática, presas hídricas, árbol de fallos, caso Edenville
y Sanford.
Abstract:
The article synthesizes the phenomenon of static liquefaction presented in the
Edenville and Sanford dams, located in the State of Michigan in the U.S.A., to analyze
the causal realizations and the external manifestations of the event through the Fault
Tree methodology and the application of historical-logical and analytical-synthetic
methods. The process evidenced the multicausality of the event, categorizing the
causal elements as structural and non-structural; likewise, the importance of the
gradation of the sandy material used for the conformation of the body of the dams, the
impact of the disposition of the drainages about the saturation of the sandy material of
the body of the barriers, and the relevance of the regulation capacity of the dam system
in extraordinary events.
Keywords: static liquefaction, dams, fault tree, Edenville, and Sanford case.
Historial del artículo
Recibido para evaluación: 17 octubre 2022.
Aprobado para publicación: 21 noviembre 2022
1
Metro Engineering Solutions, LLC., Ingeniero Civil, https://orcid.org/0000-0001-8680-3696
Autor de correspondencia: rrangelreyes52@gmail.com
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Introducción
El fenómeno de licuefacción estática en presas es un evento asociado a múltiples
factores que desencadenan un relave, caracterizada por la degradación de materiales
granulados de baja densidad con un alto grado de saturación de agua, generando un
espacio susceptible a la licuación que aumenta progresivamente con el paso del
tiempo (Eyyub Karakan et al. , 2018).
La geotécnica, considera que la frecuencia de ocurrencia de este fenómeno se
debe a suelos sin cohesión y con alta permeabilidad, que, ante la carga monotónicas,
desarrolla una poro-presión aunado a un sobre empuje del agua, lo que resulta en el
deslizamiento triaxial de los materiales del suelo (Vopilovsky et al., 2022). Es común
que existan cambios de presión en la presa, pero el resultado se asocia directamente
a la geometría de la presa, a las características de abatimiento y las condiciones de
los materiales que la constituyen (Tapia, 2019).
En este sentido, el diseño de la presa constituye una evidencia de análisis y la
existencia de drenajes con la ruta de conducción y salida, estableciendo el cuerpo de
la presa compactada o de acuerdo con su denominación en ingles embankment.
Adicionalmente, la selección del material y la capacidad de desagüe de la obra de
regulación de la presa. Esto destaca la relevancia de la presión del agua capilar sobre
eventos adicionales que determinan la ocurrencia del fenómeno de licuefacción.
De acuerdo con las estadísticas citadas, cerca del 40% de las fallas en las presas
ocurren por desbordamiento o falta de capacidad en el vertedor; la pregunta es si esto
se debe a qué se eligió mal el periodo de retorno o a que a pesar de que éste fue
seleccionado adecuadamente, se realizó una mala estimación del evento de diseño.
En el primero de los casos resulta evidente que es imposible dimensionar una
estructura infalible, pero se acepta que el riesgo de excedencia de la avenida de
diseño debe minimizarse hasta donde sea posible (Ramírez, 2011).
De acuerdo con la investigación realizada por Rodríguez-Pacheco et al. (2021),
sobra fallas en 14 presas de lodos mineros por licuefacción estática, arrojo que la
mayoría de las presas han sido construidos por el método de llenado hidráulico; los
lodos estaban saturados en el momento de la licuefacción y desarrollo de la falla, y,
que el nivel de agua en las presas fue más alto que el de proyecto en diferentes
momentos de la construcción, llenado y en el momento de la falla. Existe la
posibilidad, de analizar a través de la herramienta informática el pre y post proceso
de variación de desplazamientos, aceleraciones, esfuerzos axiales, deformación y
presión de poro de la masa del suelo, a través de la carga de información geométrica
y geotécnica (Collahuazo & Cruz, 2017).
En otro nivel de intervención, el empleo de un modelo de gestión de presas de
depósito de relaves mejorados se enfoca a optimizar continuamente el desempeño
de las prácticas de ingeniería incluyendo criterios medioambientales y de seguridad,
bajo la adecuación al ciclo de planificar, hacer, verificar y actuar, propuesto por
Edwards Deming (Arias Quispe, 2021). Es de interés mencionar que, existe un factor
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de seguridad con alto valor en la ocurrencia del fenómeno de licuefacción estática
(Pastor, Tomás, Cano, & Riquelme, 2018).
Ahora bien, el estallido por baja presión sobre el los Grandes Lagos de Michigan,
en el periodo de mayo del 2020, generó una falla de la presa Sanford y Edenville
ubicadas en el condado de Midland y en la una inundación y daños severos que afecto
construcciones, hogares, carreteras, infraestructuras útiles y en recursos naturales,
afectando aproximadamente a 11mil residentes y 4 mil estructuras, que representan
perdidas, en la evaluación preliminar, mayores a 250 millones de dólares (FEMA,
2022).
Las represas de Edenville y Sanford eran dos represas en Michigan ubicadas en
serie a lo largo del mismo río; construidas en la década de 1920, que, en el momento
del fallo, solo la de Sanford se encontraba activa. La combinación de precipitaciones
excesivas y problemas de mantenimiento, desencadeno una serie de daños
generalizados que afectaron las adyacencias de las presas, como se puede visualizar
en la figura 1.
Figura 1
Ubicación de las presas involucradas en la falla del condado de Midland,
Michigan, Estados Unidos.
Fuente: Federal Emergency Management Agency (2021).
Los principales mecanismos se asocian por los que se desarrolla este fenómeno
de licuefacción estática, en el caso de fallos en presas, se deben al sistema de
drenaje, sobrepaso del nivel de agua, colapso de la fundación y erosión interna, así
también, es importante considerar los elementos ambientales propios del lugar en
donde se encuentre la presa. En tal efecto, el presente artículo, tiene el propósito de
analizar el fenómeno de licuefacción estática, empleando el método de árbol de fallas,
en las presas de Edenville y Sanford, ubicadas en el condado de Midland, Michigan.
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Metodología
Es estudio corresponde investigación observacional, documental, con un nivel
analítico deductivo, empleando la metodología de árbol de fallo (Ver Figura 2),
conocido por sus siglas en ingles FTA (Fault Tree Analysis) como medio para
establecer una relación causal bajo una representación gráfica de “caminos” dentro
de un sistema (López Calvajar, Alonso Hernández, Mazaira Rodríguez, & Ricardo
Cabrera, 2018), lo que permite distinguir los siguientes elementos del evento:
• Probabilidad del fallo del sistema.
• Vulnerabilidad del sistema.
• Consumo de recursos para el control de la vulnerabilidad.
• Reconfiguración del sistema a fin de reducir la vulnerabilidad.
• Caminos principales hacia el desastre.
• Puntos de fallos potenciales.
Figura 2
Representación del modelo árbol de fallos
Fuente: Elaboración propia del autor (2022).
La revisión teórica tuvo lugar por medio de una búsqueda científica en las bases
de datos Google Académico, Scielo, Springer, Elsevier y ResearchGate.
Adicionalmente, se consultaron fuentes gubernamentales asociadas al evento, como
el Programa Nacional de Seguridad de Represas (NDSP) de la Agencia para el
Manejo de Emergencias (FEMA), con el apoyo de la Agencia del Centro Nacional de
Integración (NIC). La interpretación del caso consideró los métodos histórico-lógico y
analítico-sintético.
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Resultados y Discusión
El fenómeno de licuefacción estática en las presas de Sanford y Edenville ocurrió
el 20 de mayo del 2020 y fue asociado a múltiples causas. Surgieron registros
gubernamentales e independientes que coincidieron en esta determinación que
afectó las arenas saturadas en la sección de aguas abajo de la presa que condujo a
la inestabilidad del terraplén. Este fenómeno, afecta los suelos granulares,
haciéndoles perder su resistencia significativamente hasta afectar su nivel freático
(Henríquez, 2007). El diseño de una presa cuenta con especificaciones que
garantizan su funcionamiento tal como se detallan en la tabla 1.
Tabla 1
Criterios en el diseño de presas de relave
Criterio
Definición
Elemento
descriptivo
Condición en la Presa
Composición del
material
Capacidad de la
granulometría de los suelos
finos
Plasticidad
Fracción de finos 5%
Límite de liquidez %
Humedad 2%
Índice de vacíos
críticos
Estado final de volumen
constante
Presión de poros
Frontera entre exceso de
presión de poros positiva y
de presión de poros
negativa
Índice de vacíos:
estado de
deformación
El estado en el cual el suelo
fluye continuamente bajo
tensión cizallante constante,
volumen constante y
velocidad constante
SSL - línea de
estado
permanente
El análisis del suelo por
debajo de la SSL
Índice de vacíos:
Parámetro de
estado
Es el índice de vacíos en la
línea de estado permanente
bajo la tensión efectiva
confinante de interés
Ψ = e0 - ess
Parámetro de
estado = índice de
vacíos inicial –
índice de vacíos
bajo tensión
efectiva
valores negativos de ψ
Fuente: López-Acosta et al. (2019).
Las presas de Sanford y Edenville no cuentan con los registros del diseño debido
a la antigüedad, lo que dificulta en manejo de la información técnica sobre las
patologías que pudieron originarse a partir de los materiales empleados o las
especificaciones de las estructuras. No obstante, existe un registro detallado de los
hechos, de acuerdo con el informe presentado por la Agencia Federal para el Manejo
de Emergencias (2021), el 17/05/2020, tres días antes de la falla, los lagos
adyacentes a las presas presentaron una disminución en su nivel de agua debido al
aumento en las presas y se pronosticó lluvias significativas en los días siguientes. El
18/05/2020, dos días antes, se registraron lluvias 2,79 pulgadas en el caso de Sanford
(82 %) y 3,8 pulgadas en Edenville (95 %).
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Informes indican que se realizaron algunos ajustes en las puertas, pero en el caso
de Sanford la electricidad no se pudo generar y tampoco fue posible liberar agua, las
esclusas no funcionaron, en Edenville la licencia hidroeléctrica había sido revocada.
La tabla a continuación resume los niveles del lago al final del día 18 y 19 de mayo,
el aumento del nivel del agua:
Tabla 2
Niveles de agua de los lagos
Presas
18/05/2020 (11:59pm)
19/05/2020 (6:00am)
19/05/2020 (tarde)
Edenville
El. 206.65 metros;
67,05 centímetros
arriba nivel normal de
la taza
El. 207,08 metros;
109,72 centímetros
arriba
nivel normal de la taza
No disponible
Sanford
El. 192,29 metros, 3,04
centímetros arriba
nivel normal de la taza
El. 192,54 metros;
27,43 centímetros
arriba nivel normal de
la taza
El. 192,72 metros;
45,72 centímetros
arriba del nivel normal
de la taza
Fuente: Federal Emergency Management Agency (2021).
Particularmente, en la presa Edenville, las seis puertas de aliviaderos operaron
hasta el momento en que se manifestó la falla, el día 20 de mayo del 2020. Dos días
antes, el lago Wixon adyacente a ambas presas, alcanzo el nivel normal de la taza,
correspondiente a 205,98 metros, el día previo llegó a 206,74 metros, y el día de la
falla a pesar que no se cuenta con las mediciones se estima que alcanzó 207,66
metros. En el caso de Sanford, por su ubicación recibió el flujo de salida de la presa
Edenville, ya el 19 de mayo presentaba un nivel de 193,48 metros, luego el tapón
fusible comenzó a erosionarse combinando su capacidad con las compuertas del
aliviadero, pero estos mecanismos no fueron suficientes, ante la inundación en
Edenville se desbordo la Presa Sanford como se visualiza en la figura 3 (Federal
Emergency Management Agency, 2021).
Figura 3
Fotografías del desborde del agua por la falla presentada en las Presas Sanford y
Edenville ubicadas en el Estado de Michigan el 20/05/2020
Presa Sanford
Presa Edenville
Fuente: Imágenes capturadas de Saginaw News (2020) y en Detroit Free Press (2021).
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Es importante destacar, que los terraplenes de las presas evidenciaron erosión y
desmoronamiento, las entrevistas al personal de ingeniería indican que se
implementaron medidas de control de erosión con barreras de turbidez, sacos de
arena y geotela (Federal Emergency Management Agency, 2021). No obstante, estas
medidas son insuficientes ante la erosión por corriente de descarga, pues, la falla
generada por licuefacción estática de las arenas saturadas bajo el agua, generan un
colapso ante la carga de corte sostenida, originando una alta presión intersticial que
resulta en una pérdida de fuerza y estabilidad (France et al., 2022), como se
representa en la figura 4.
Figura 4
Representación del estado de tensión sobre la falla de presa.
Fuente: Elaboración del autor a partir de la publicación del Equipo Forense (France et al., 2022)
Este comportamiento de tensión versus deformación ubica en una posición frágil a
la presa debido a su edad. En este momento, la resistencia residual es muy baja para
el esfuerzo y este desequilibrio de fuerzas actúa en la masa del suelo, aunado a los
eventos previos y posteriores, las causas y manifestaciones de esta falla.
En este contexto, el desarrollo de una falla en presas como las descritas,
corresponde a un acontecimiento multifactorial, que, en concordancia con la
representación en el análisis a través del árbol de fallos, puede involucrar causas
estructurales correspondientes a la construcción de la presa y elementos no
estructurales que se asocian a los procesos subsecuentes a la gestión de la presa y
áreas adyacentes, las cuales se representan a continuación según relaciones y
probabilidades de ocurrencia en la figura 5.
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Figura 5. Árbol de fallos del evento. Fuente: Elaboración propia del autor (2022).
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En relación con los mecanismos que se van desencadenando progresivamente en
este fenómeno de licuefacción, los informes de Sanford y Edenville cuentan con la
ocurrencia de un desbordamiento del nivel de agua que simultáneamente impulso un
desprendimiento de materia y depresión de la cresta de la presa. A medida que el
agua del embalse iba aumentando, se consideró la brecha controlada, pero fue
aplazada, lo que genero el hundimiento de la cresta del lado izquierdo del terraplén.
Es evidente como el desbordamiento del terraplén ocurre en simultaneo ante la
erosión interna haciéndolo inestable. En tal efecto, a continuación, se discuten tres
sucesos determinantes que son considerados como nudos críticos en los casos
estudiados:
1. Gradación del material arenoso utilizado para la conformación del cuerpo
de las represas
Las condiciones geomorfológicas y geológicas de las presas requieren valles
amplios con macizos de cimentación muy deformables o de baja resistencia. Es
importante contar con la mayor impermeabilidad posible, con un nivel de resistencia
en el suelo que permita establecer una fundación y una capacidad de almacenamiento
(Gómez, 2019). En estas obras geotécnicas se requieren de tres elementos
principales, como lo es el suelo de la cimentación, el material de préstamo que
compone al dique de arranque y el relave almacenado, secundariamente, se
consideran los materiales del terraplén, el cimiento de la presa y las condiciones de
estabilidad del talud (Tuco-Huarahuara & Gonzáles-Haramboure, 2019).
De acuerdo con la Sociedad de Presas de los Estados Unidos (2011), las
propiedades del enrocado están determinadas en gran medida por la gradación y la
resistencia de la roca. Los materiales de escollera para las zonas de caparazón
compactado de las represas modernas son generalmente compuestos de fragmentos
de roca gruesa o cantos rodados y grava, que varían ampliamente en gradación de
tamaño de partícula, pero generalmente con un tamaño máximo de 18 a 48 pulgadas,
clasificación hasta finos con 20 a 40 por ciento pasando un tamiz de 1 pulgada y 5 a
15 por ciento pasando un Tamiz nº 4. La determinación del rango de gradación
potencial de los materiales de escollera de la cantera los sitios para grandes represas
se deben estimar mediante voladuras de prueba y rellenos de prueba, así, la
gradación de escollera materiales para presas medianas y pequeñas pueden
estimarse a partir de la experiencia con el formación geológica y perforación de
testigos. Los terraplenes de material bien graduado tienen altos módulos de
deformación y como resultado hay menos asentamiento, así como menos trituración
de las partículas de roca.
Particularmente, las presas de Edenville y Sanford, cuentan con informes que
presumen como mecanismos potenciales de la falla a la erosión interna en el
momento en que el nivel de agua sobrepaso los niveles de la presa. Las
especificaciones de construcción indican que, con suelo relativamente impermeable
de grano fino colocado aguas arriba de la línea central del terraplén y un relleno más
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permeable colocado aguas abajo de la línea central puede crear un terraplén de dos
zonas. Este análisis de gradación del suelo solo está disponible como una exploración
histórica en investigaciones posteriores a la falla, que indica el material y cimentación
de la presa, que en los casos estudiados no se encontraron bolsas de grava o
cantidades significativas de partículas de grava, que, de acuerdo con los análisis de
gradación, las arenas funcionarían como filtros para los suelos más finos, sin la
presencia de esta grava gruesa, la cara libre del terraplén y la cimentación o un tubo
de desagüe de la cimentación sin filtrar, fueron las salidas de filtración más probables
que permitieron la eliminación de la erosión interna (France et al., 2022).
En este contexto, la conductibilidad hidráulica del material en función a la carga de
succión del suelo debe ser cercana a nula, para evitar el flujo transitorio, y, en
consecuencia, garantizar un grado de saturación o contenido volumétrico de agua
cero (Macías, Vargas, & Arellano, 2018).
2. Impacto de la disposición inadecuada de los drenajes contribuyo a la
saturación del material arenoso del cuerpo de las represas
La falla en la funcionalidad de los drenajes está íntimamente ligada a la falla de
erosión interna de la presa, que, en los casos estudiados, los informes históricos
registraron el fluido de cimientos en las tuberías de drenajes aunado a la inexistencia
de reporte de construcción de filtros en el terraplén permitiendo la salida de la arena
erosionada de forma continua (Federal Emergency Management Agency, 2021).
En este contexto, la posición del conducto de flujo libre en las condiciones de
drenaje modeladas es la segunda característica más importante que influyen en la
estabilidad y seguridad de los taludes de una presa. La disposición de un drenaje
superficial basado en un modelo de análisis de acuerdo con las condiciones de cargas
propuestas se asegura un factor de seguridad superior a 1,9 y disminuye la posibilidad
de infiltración, lo que a su vez contribuye a mejorar la estabilidad y seguridad de los
taludes de la presa tras su etapa de cierre (Tuco-Huarahuara & Gonzáles-
Haramboure, 2019).
Bajo otra perspectiva, la capacidad de drenes basales diseñados
conservadoramente, cubriendo un porcentaje importante del área de cimentación,
permitiendo la posible ruptura de partículas y compresibilidad de acuerdo con los
niveles de tensión podría hacer viable para el manejo de la presa (Valenzuela, 2016).
3. Importancia de la capacidad de regulación del sistema de represas en
eventos extraordinarios
El concepto del periodo de retorno conjunto, fundamental en el denominado análisis
de frecuencias conjunto, es muy flexible y se puede aplicar en la solución de muchos
problemas que involucren la caracterización probabilística de varias variables. Este
método evita la arbitrariedad en la asignación del volumen de la avenida, permitiendo
obtener la solución con los efectos más desfavorables para la obra en particular, la
cual se ve involucrada en el proceso de estimación de la avenida de diseño (Ramírez,
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2011). En tal efecto, el cálculo de este valor es parte de seguridad hidrológica en la
revisión de presas.
En Estados Unidos se cuenta con periodos de retorno de hasta 100 años, las
precipitaciones de diseño se toman como la suma de la P100 más una fracción de la
diferencia entre el P100 y la PMP. No obstante, ante los cambios locales y regionales
que genera el calentamiento global, este registro puede ser obsoleto. Es probable que
un diseño existente o planeado, basado en el registro disponible, se convierta en
menos conservador bajo un cambio de húmedo a árido debido a un aumento en la
intensidad de lluvia, o bajo un cambio de árido a húmedo debido a un aumento en la
profundidad de lluvia (Ponce, 2008). En el caso de las presas abordadas, se
desconoce la tasa de retorno, pero de acuerdo con el autor mencionado, el periodo
de retorno en años de presas como aliviadero principal oscila entre 25 a 100 años y
en caso de presas como aliviadero de emergencias oscila de 100 a 10.000 años de
precipitación máxima probable.
La importancia del periodo de retorno y determinar la probabilidad de que ocurra,
constituyen un punto esencial en garantizar la vida útil de la presa, que tenga una
duración que permita satisfacer las necesidades por la que se diseña la presa de
tierra. Al seleccionar el periodo de retorno para el cálculo de capacidades y otros
elementos de la obra, este criterio se da al revisar los historiales de lluvia en la zona,
de modo que la selección del valor toma en consideración un evento de lluvia
cuantioso. En el caso estudio, este factor pudo activar una gestión proactiva de
riesgos, más en este caso donde la presa se ve bordeada por un área residencial con
actividad económica.
Conclusiones
Las tres dimensiones abordadas en la discusión del caso constituyen los elementos
más relevantes a considerar en el diseño e implementación de presas bajo del modelo
de tierra. La falla por licuefacción estática evidenció la insuficiencia de los
mecanismos que contrarrestan este tipo de eventos, y acentúa la importancia de la
información sobre el diseño y mediciones aplicadas a la gestión de los procesos en la
presa.
Las presas no cuentan con una estimación acorde al cambio climático que se ha
experimentado, pues en el momento en que fue diseñado para el alcance de 100
años, pero los últimos 30 años han presentado eventos extraordinarios en cuanto a
lluvias torrenciales. Esto fue mermando la calidad y la vida útil de la presa, a pesar de
la selección de un periodo de retorno prolongado, no se consideró otros eventos.
No existen los diseños y cálculos de las presas, pero los eventos hídricos del año
2020 sobrepasaron la estimación preexistente. La edad de las presas evidentemente
ubica en desventaja a la presa ante eventos extraordinarios, pues no permite que los
mecanismos de compensación sean suficientes.
La rehabilitación de una presa conlleva a enfrentar una inversión económica
cuantiosa, en muchos casos no se considera factible ante la demanda de satisfacer
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las necesidades que originaron la existencia de la presa y la urgencia de atender los
daños generados por la falla.
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