erosión interna

La erosión interna es la formación de huecos dentro de un suelo causada por la remoción de material por filtración . ^{[ 1 ]} Es la segunda causa más común de fallas en diques y una de las principales causas de fallas en presas de tierra , ^{[ 2 ]} responsable de aproximadamente la mitad de las fallas de presas de terraplén. ^{[ 3 ]}

La erosión interna se produce cuando las fuerzas hidráulicas ejercidas por el agua que se filtra a través de los poros y grietas del material de la presa o sus cimientos son suficientes para desprender partículas y transportarlas fuera de la estructura. La erosión interna es especialmente peligrosa porque puede no haber evidencia externa, o solo evidencia sutil, de que se está produciendo. Generalmente se puede encontrar un afloramiento de arena , pero este podría estar oculto bajo el agua. Una presa puede ceder pocas horas después de que la evidencia de erosión interna se haga evidente.

La formación de conductos es un fenómeno relacionado y se define como el desarrollo progresivo de la erosión interna por filtración, que aparece aguas abajo como un orificio que descarga agua. ^{[ 4 ]} La formación de conductos es inducida por la erosión regresiva de partículas desde aguas abajo y a lo largo de la línea aguas arriba hacia un entorno externo hasta que se forma un conducto continuo. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Según la Comisión Internacional de Grandes Presas (ICOLD), existen cuatro modos generales de falla para la erosión interna de las presas de terraplén y sus cimientos: ^{[ 7 ]}

• A través del terraplén
• A través de la fundación
• Terraplén convertido en cimentación
• Asociado con estructuras que atraviesan

El proceso de erosión interna se desarrolla en cuatro fases: inicio de la erosión, progresión para formar una tubería, inestabilidad de la superficie y, finalmente, inicio de una rotura . La erosión interna también se clasifica en cuatro tipos, según la trayectoria de la falla, cómo se inicia y progresa la erosión y su ubicación:

• Fuga concentrada : el agua que se filtra erosiona y agranda una grieta hasta que se produce una rotura. Es posible que la grieta no llegue a la salida (aunque la rotura sigue siendo posible), pero con el tiempo la erosión continua forma una tubería o un sumidero .
• Erosión regresiva : iniciada en el punto de salida del conducto de filtración, este tipo de erosión se produce cuando el gradiente hidráulico es lo suficientemente alto como para provocar el desprendimiento y transporte de partículas; se forma un conducto hacia atrás desde el punto de salida hasta que se produce una rotura.
• Sufusión : se produce en suelos con una amplia gama de tamaños de partículas. Las partículas más finas se erosionan a través de los huecos entre las partículas más gruesas. Los suelos susceptibles a la sufusión se denominan internamente inestables. La sufusión solo puede ocurrir si el volumen ocupado por las partículas más finas es menor que el espacio vacío disponible entre las partículas gruesas.
• Erosión por contacto del suelo : un fenómeno llamado flujo laminar ocurre en las interfaces entre suelos gruesos y finos. El agua se filtra a lo largo de la interfaz entre los dos tipos de suelo, erosionando las partículas de la capa más fina hacia la capa más gruesa.

Las fugas concentradas ocurren cuando se forman grietas en el suelo. Las grietas deben estar por debajo del nivel del embalse y debe existir presión de agua para mantener la tubería abierta. Es posible que el flujo de agua provoque la hinchazón de las paredes de la tubería, cerrándola y limitando así la erosión. ^{[ 7 ]} Además, si el suelo carece de la cohesión suficiente para mantener una grieta, esta colapsará y la erosión por fugas concentradas no progresará hasta una rotura. ^{[ 8 ]} Las grietas que permiten fugas concentradas pueden surgir debido a muchos factores, entre ellos:

• El efecto de arco transversal al valle produce tensiones verticales en los laterales de la presa.
• Núcleo arqueado sobre los hombros del terraplén
• Asentamiento diferencial (con un diferencial superior al 0,2%, es casi seguro que se formará una grieta).
• Irregularidades a pequeña escala durante el tratamiento del núcleo (por ejemplo, debido a una compactación deficiente).
• Grietas y huecos adyacentes a los aliviaderos o muros de contención o alrededor de los conductos.
• Diversos factores ambientales como la desecación , el asentamiento durante terremotos , la congelación, las madrigueras de animales , la vegetación/raíces.

Las grietas longitudinales surgen de la expansión del terraplén, mientras que las aberturas transversales, mucho más comunes, se deben al asentamiento vertical de la presa. La tensión cortante hidráulica crítica τc necesaria para el inicio de la erosión por filtración concentrada puede estimarse mediante ensayos de laboratorio, como el ensayo de erosión por orificios ₍ HET) o el ensayo de erosión por chorro (JET) . ^{[ 9 ]}

La erosión regresiva suele producirse en suelos no plásticos, como las arenas finas . Puede ocurrir en cimientos arenosos, dentro de la presa o el dique, o en ataguías sometidas a altas presiones de inundación durante la construcción, provocando el desmoronamiento en la cara aguas abajo. También se produce en regiones propensas a deslizamientos de tierra e inundaciones donde las pendientes han sido alteradas. ^{[ 10 ]}

La erosión regresiva se manifiesta con mayor frecuencia por la presencia de burbujas de arena en el lado aguas abajo de las presas. Experimentos de Sellmeijer y colaboradores han demostrado que la erosión regresiva se inicia en una ranura a través de los estratos que cubren el suelo erosionado (por ejemplo, a través de excavaciones o zanjas de drenaje) ^{[ 11 ] [ 12 ]} y luego progresa en muchos conductos más pequeños (de menos de 2 mm de altura) en lugar de uno solo. La estabilidad de los conductos depende de la carga hidráulica, y una vez que esta supera un valor crítico (0,3-0,5 de la longitud del recorrido del flujo), el canal se extiende aguas arriba. Más allá de esto, con cualquier carga hidráulica mayor que el valor crítico, la erosión progresa hasta que, finalmente, los conductos se abren paso hasta el embalse aguas arriba, momento en el que se produce una rotura. Para que se produzca la erosión regresiva, la presa o el dique deben formar y mantener un "techo" para el conducto.

La sufusión se produce cuando el agua fluye a través de suelos no cohesivos con granulometría amplia o discontinua . ^{[ 7 ]} Las partículas más finas se transportan por filtración, y las partículas gruesas soportan la mayor parte de la tensión efectiva . ^{[ 13 ]} La sufusión solo puede ocurrir si las partículas finas del suelo son lo suficientemente pequeñas como para pasar entre las partículas gruesas y no llenan los huecos en el suelo más grueso. La velocidad del flujo de agua también debe ser suficiente para transportar esas partículas finas.

La sufusión provoca un aumento de la permeabilidad en el núcleo del terraplén, mayores velocidades de filtración y posiblemente fracturas hidráulicas. También puede provocar asentamientos ^{[ 14 ]} si se produce en la cimentación de la presa. Los suelos sometidos a sufusión también tienden a verse afectados por la segregación . El método de Kenney-Lau es un método reconocido para el análisis de la sufusión, que utiliza la distribución del tamaño de las partículas para evaluar la estabilidad interna de un suelo, lo que afecta directamente a la probabilidad de que se produzca la sufusión.

La erosión por contacto del suelo ocurre cuando el flujo laminar (flujo de agua paralelo a una interfaz) erosiona el suelo fino en contacto con el suelo grueso. ^{[ 7 ]} La erosión por contacto depende en gran medida de la velocidad del flujo, que debe ser suficiente para desprender y transportar las partículas más finas, así como de que estas partículas puedan pasar a través de los poros de la capa gruesa. Cuando se inicia la erosión por contacto, se forma una cavidad, lo que reduce la tensión. El techo de la cavidad se derrumba; el material derrumbado se transporta, dando como resultado una cavidad más grande. El proceso continúa hasta la formación de un sumidero. Es posible que una cavidad no se derrumbe; esto dará lugar a la erosión retrógrada.

La erosión por contacto del suelo puede ocurrir entre cualquier capa granular y un suelo más fino, como en el limo-grava, y suele provocar una pérdida de estabilidad, un aumento de la presión de los poros y la obstrucción de la capa permeable. Los resultados experimentales muestran que, cerca del límite geométrico, el punto en el que las partículas finas apenas pueden pasar entre las partículas gruesas (el criterio de filtrado), la probabilidad de que se inicie la erosión y se produzcan fallas es mucho mayor.

Es posible interrumpir el proceso de erosión interna mediante el uso de filtros . Los filtros atrapan las partículas erosionadas, permitiendo al mismo tiempo la filtración, y suelen ser más gruesos y permeables que el suelo filtrado. El tipo de filtro requerido y su ubicación dependen de las zonas de la presa más susceptibles a la erosión interna. Según la normativa, los filtros deben cumplir cinco condiciones: ^{[ 15 ]}

• Retención : el filtro debe limitar o interrumpir el transporte de partículas de suelo erosionadas.
• Autofiltración : también definida como estabilidad, el filtro debe ser internamente estable.
• Sin cohesión : el filtro no debe tener la capacidad de mantener grietas ni la capacidad de cementarse .
• Drenaje : el filtro debe ser suficientemente permeable para permitir que la presión del agua se disipe.
• Resistencia : el filtro debe ser capaz de transferir tensiones dentro de la presa sin aplastarse.