Ingeniería hidráulica: el papel esencial de la simulación computacional en la seguridad de presas
Las presas desempeñan un papel importante en el control de inundaciones, la generación de energía, el almacenamiento de residuos, el suministro de agua y la irrigación. Sin embargo, también representan amenazas significativas. Una presa puede fallar debido a deficiencias estructurales en el diseño o a eventos externos que desencadenen condiciones que superen las capacidades estructurales. La falla de una presa resulta en graves inundaciones repentinas que afectan a comunidades locales, animales, propiedades e infraestructura.
En muchos países, no se registran de forma adecuada las informaciones sobre rupturas de presas. Esto dificulta encontrar con precisión las razones y las frecuencias de estos eventos. En los Estados Unidos, una lista compilada por los programas estatales de seguridad de presas muestra que, de enero de 2005 a junio de 2013, se registraron 173 fallas de presas y 587 “incidentes”, episodios que, sin intervención, probablemente habrían resultado en fallas catastróficas.
De acuerdo con la ASDSO (Association of State Dam Safety Officials), las causas de las fallas en presas pueden atribuirse a cinco razones principales:
- Desbordamiento causado por el agua que se derrama sobre la parte superior de una presa.
- Defectos en la fundación, incluyendo asentamientos e inestabilidad de taludes.
- Grietas causadas por movimientos como el asentamiento natural de la presa.
- Mantenimiento y conservación inadecuados.
- Erosión interna causada por infiltración (falla por piping), que ocurre cuando la infiltración a través de una presa no es debidamente filtrada y las partículas del suelo continúan desplazándose, formando cavidades en la estructura.
El siguiente gráfico ilustra incidentes de fallas de presas ocurridos en los años 2010 a 2019 en los Estados Unidos.
Figura 1 – Base de Datos de Incidentes de Presas de la ASDSO (Asociación de Seguridad de Presas), incidentes de fallas de presas ocurridos entre 2010 y 2019
El Informe de Infraestructura de 2017 de la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles destaca la importancia de la seguridad pública y del mantenimiento adecuado de presas:
“Para mejorar la seguridad pública y la resiliencia, se deben reducir los riesgos y las consecuencias de las fallas de presas. El progreso requiere una mejor planificación para mitigar los efectos de las fallas; un aumento en la supervisión regulatoria de la seguridad de presas; mejoras en la coordinación y comunicación entre agencias reguladoras; y el desarrollo de herramientas, capacitación y tecnología. Las fallas de presas no solo ponen en riesgo la seguridad pública, sino que también pueden costar millones de dólares en daños a la economía. La falla no se limita únicamente a los daños de la presa en sí. Puede comprometer muchos otros sistemas de infraestructura, como carreteras, puentes y sistemas de agua. Cuando una presa falla, se deben dedicar recursos a la prevención y el tratamiento de riesgos para la salud pública, así como a las consecuencias estructurales resultantes.”
Presas en Brasil y la Simulación como Aliada
Brasil ha estado buscando mejorar la fiscalización de sus presas. El gobierno brasileño, a través de la Agencia Nacional de Minería (ANM) y otros organismos reguladores, ha tomado medidas para fortalecer las normas y los procedimientos de seguridad de presas. Esto incluye revisiones en las reglamentaciones, implementación de nuevos estándares de seguridad, mejoras en el monitoreo y auditorías más rigurosas.
En este contexto, la simulación computacional ofrece herramientas y tecnologías para análisis estructurales y fluidodinámicos en presas existentes o en nuevos proyectos, con el objetivo de garantizar seguridad, cumplimiento normativo y mitigación de los efectos de fallas. El uso de esta herramienta ha aumentado significativamente en las empresas, como una forma de reducir costos y tiempos, además de ser una alternativa ante las dificultades para desarrollar prototipos que representen adecuadamente los fenómenos de interés.
La simulación puede ofrecer diversos análisis para garantizar seguridad, eficiencia y sostenibilidad. Algunos ejemplos incluyen:
- Análisis de Estabilidad de Presas
Evaluación de la estabilidad estructural de las presas, considerando factores geotécnicos, hidráulicos y estructurales para prevenir riesgos de colapso.
- Estudio de Impacto Ambiental (EIA)
Análisis de los impactos ambientales, incluyendo efectos en la fauna, flora, calidad del agua y comunidades locales.
Simulación de la distribución de temperatura y patrones de flujo en una descarga térmica industrial.
Análisis de Riesgo y Seguridad
Identificación de fallas y evaluación de riesgos, con el objetivo de desarrollar estrategias para minimizar accidentes y catástrofes ambientales.
Simulación 3D de ruptura de depósitos de residuos sobre una topografía.
Estudio Hidrológico e Hidráulico
Análisis de las características hidrológicas de la cuenca y del comportamiento hidráulico del río para optimizar proyectos de ingeniería y gestión del agua.
Simulación del campo de flujo bajo la topografía del terreno.
Evaluación de Sedimentación
Estudio de la deposición de sedimentos en los embalses de hidroeléctricas a lo largo del tiempo, buscando mitigar los impactos en la capacidad de almacenamiento.
La modelación CFD (Dinámica de Fluidos Computacional) se utiliza para investigar el transporte de sedimentos inducidos por el agua.
Monitoreo Geotécnico e Instrumentación
Implementación de sistemas de monitoreo para evaluar continuamente la estabilidad de las estructuras, como presas, mediante inclinómetros, piezómetros, entre otros. La simulación puede identificar puntos críticos y ayudar a seleccionar los lugares más adecuados para la instrumentación y monitoreo. También desempeña un papel clave en el mantenimiento predictivo y puede simular condiciones operativas a lo largo del tiempo, permitiendo analizar desgaste, fatiga y otros fenómenos que pueden llevar a fallas.
Análisis de falla en la compuerta de la central hidroeléctrica de Tucuruí.
Análisis de Viabilidad Técnica y Económica
Evaluación de aspectos técnicos, económicos y financieros para determinar la viabilidad del proyecto antes de su construcción. La simulación computacional puede ser utilizada para evaluar diversos escenarios y soluciones de ingeniería, verificando la efectividad de cada solución y, de esta manera, estimar un equilibrio entre costos y beneficios en la implementación de la solución.
Análisis de la variación del campo de velocidades en función de alteraciones de diseño. (imagem de https://www.abendi.org.br/abendi/Upload/file/forum_analise_falhas/Analise-de-Falha-na-Haste-da-Comporta-do-Vertedouro-da-Usina-Hidreletric….pdf)
Análise de vertedouro escalonado
El vertedero escalonado está diseñado para minimizar la erosión y la energía cinética del agua, evitando daños a la infraestructura y al lecho del río o canal aguas abajo del vertedero. La simulación computacional puede ayudar en el análisis de la disipación de energía del agua y predecir la reducción de la velocidad del flujo.
Simulación computacional del campo de flujo a lo largo de un vertedero escalonado.
En resumen, la simulación computacional desempeña un papel crucial en el análisis hidráulico, la estabilidad estructural, la gestión de embalses, la evaluación de riesgos y el impacto ambiental. Además, permite el monitoreo virtual de deformaciones y tensiones, contribuyendo al mantenimiento predictivo y entrenando equipos para escenarios de emergencia. Integrar la simulación en la evaluación de proyectos de ingeniería asegura decisiones más conscientes, mejorando la seguridad, eficiencia y sostenibilidad de las presas y otras estructuras relacionadas.
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