ASPECTOS GEOMORFOLÓGICOS Y DE SEGURIDAD DE LA PRESA DE OROVILLE, CALIFORNIA. EROSIÓN Y DESAGÜE

Figura 1. EROSIÓN Y ROTURA DEL ALIVIADERO PRINCIPAL

En la presa del embalse de Oroville en California, se han modulado y equilibrado las tasas de descarga y evacuación de agua con las del avance de la erosión.

Se ha jugado a buscar el equilibrio óptimo que minimice el daño, soltando la mayor cantidad de agua sin que la erosión avance hacia arriba.

Se pueden extraer muchas lecciones al respecto, en este artículo veremos algunas que atañen al entorno geológico y en general físico y humano de las comarcas que viven cerca de grandes presas.

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1. UNAS LLUVIAS HISTÓRICAS

Tras las enormes cantidades de lluvia caídas en el norte de California en las últimas semanas, el embalse de Oroville sigue con el nivel de agua por encima de lo normal. Las labores que vemos en las televisiones y en prensa en los últimos días, con helicópteros arrojando enormes piedras de escollera, refuerzos locales del terreno, hormigonado de zonas expuestas, etc., están enfocados a mantener la lámina de agua unos 6 m por debajo del tope o cresta de la presa, pues es la única solución que alejaría el peligro de rotura de la misma por los mecanismos de erosión, empuje y descalce que vamos a comentar cómo se están evitando. El agua de más que supere esa cota se está liberando por un aliviadero principal y otro de emergencia. La semana pasada se vieron las primeras grietas y más tarde un agujero de casi unos 100 m de ancho que se abrió en el hormigón del aliviadero principal.

2. LOS DAÑOS

Se hizo una primera inspección de los daños, tras ella se probó la descarga que como se esperaba causó más daño aún al aliviadero. Hubo que reducir la tasa de descarga para evitar un avance de la rotura en este aliviadero principal. En las redes sociales se han presentado varios modelos e hipótesis de cómo se produjo la rotura, es de destacar que este aliviadero tiene un perfil longitudinal convexo, por lo que puede ser susceptible de provocar succiones muy fuertes dañinas para el hormigón, éste ha estado superficialmente muy expuesto, se comentan en informes varios que se han realizado pocas labores de mantenimiento, tal como vemos en los croquis de Paco Almanzor la cavitación y erosión del suelo bajo el aliviadero podrían formar parte de la causa. Sin embargo, al reducir la salida de agua, el embalse de Oroville ha ido aumentando su nivel unos 30 cm al día en la última semana. El hormigón es un material razonablemente fuerte a compresión como todo material pétreo (artificial pero pétreo), pero relativamente débil a tensión, trabajo éste que realizaría la malla de acero que no se ha visto en las fotografías del daño.

Tal como estaba previsto, como el nivel del lago se eleva, el agua comienza a ser vertida por el aliviadero de emergencia, el cual es paralelo al aliviadero principal y tiene una capacidad de desagüe de unos 4500 metros cúbicos por segundo, un rebaje de unos 10 m de profundidad respecto a la cota de coronación con rellenos compactados en su base (más abajo hablamos de ello) y 250 m de largo, fue objeto de estudio en 2005 y se propuso su "actualización" con una base de hormigón que preservara el terreno de erosión; el presupuesto era de unos 100 millones de dólares, fue rechazado por las autoridades (figura 3). El problema es que la entrada real en el embalse es dos veces la del flujo de salida. Ha habido una afluencia imprevista de agua y una novedad: el aliviadero de emergencia nunca había sido utilizado desde que la presa fue terminada en 1968. Una vez este sistema se puso en acción comenzó a erosionarse la superficie del terreno cuesta abajo de la presa.

Video del aliviadero auxiliar dañado en peligro de colapso

3. EROSIÓN

Ahora el peligro es la erosión retrógrada (como cuando hacemos una presa jugando en un riachuelo en la playa y al hacer un boquete se caen las paredes en la parte de la presa aguas abajo) que avance ladera arriba e intercepte la base del propio aliviadero de hormigón. Esto causaría el colapso de la pared de hormigón del aliviadero de emergencia a la derecha de la presa, pero no comprometería a la presa en sí. En el peor de los casos el nivel de agua río abajo aumentaría casi 10 m inundando todas aquellas zonas susceptibles de las llanuras de inundación del río Feather (Pluma), un afluente del río Sacramento. 

Consultando los mapas litológicos y viendo las fotos que se difunden en la web, la presa de Oroville se construyó sobre una formación de rocas denominadas Ofiolitas de Smartville (como cuando decimos Margas de Pamplona, por ejemplo) y también de color gris oscuro (dato cualitativo muy importante por lo que vamos a contar sobre las observaciones de meteorización y erosión). Son rocas muy foliadas con marcada anisotropía (orientación de algunas propiedades mecánicas) al estar muy orientadas, laminadas o con notable esquistosidad debida a un metamorfismo dinámico. Su origen es volcánico marítimo, pero fueron levantadas y deformadas al erigirse Sierra Nevada, el accidente geomorfológico que interactuando con la atmósfera suministra el agua al embalse de Oroville.

Figura 2. Rocas ofiolíticas y rellenos bajo las obras de infraestructura, obsérvese la fractuaración y cambio de colores por meteorización de las rocas, también la acción de la erosión.

Las rocas de marcada orientación (como las formaciones Flysch) son bastante problemáticas en todo tipo de trabajos de ingeniería, urbanismo o infraestructuras industriales, ya que la fuerte laminación y tendencia al deslizamiento se traduce en zonas débiles intercaladas a nivel micro y macroscópico, propensas a la rotura (figura 2).

Los macizos rocosos en rocas muy anisótropas tienen características geomecánicas bastante deficientes, altos índices de fracturación (varias familias de juntas de fractura con una fractografía muy extendidda en el espacio) y altos índices por lo tanto de entrada de agua, erosión y meteorización; se pueden obeservar en los colores rojizos y oxidados derivados de los residuales de la propia meteorización en la fotografía de arriba (figura 2). Presentan bajos índices de calidad como el RQD (Rock Quality Designation) o el RMR de Bieniawsky, 1979 (Rock Mass Rating). Por lo tanto son muy susceptibles también de ofrecer un bajo rozamiento (ángulos de rozamiento menores de 20º) y bajas cohesiones (fuerza de unión entre las partículas) que mantengan a la masa rocosa solidaria, así que son fáciles de arrancar y arrastrar por el agua desbocada (figuras 1 y 2). 

En el terreno preparado para el aliviadero de emergencia a la derecha de la presa, el problema es muy parecido aunque afectando a suelos no tan seleccionados y compactados como los usados alrededor de la presa; así que el mecanismo de erosión no es exactamente igual que el descrito para la roca. El suelo alrededor de la presa se compone de tierra altamente compactada, grava de granulometría cerrada y densa fabricada en canteras de machaqueo. Sin embargo el suelo usado en el aliviadero de emergencia consiste en rellenos muy poco seleccionados o posiblemente extraídos del mismo lugar.

Es un método barato y eficaz para construir presas, pero también las hace propensas como se ha visto, a la erosión, especialmente y por lo observado entre los geólogos e ingenieros americanos y especialistas internacionales en redes sociales cuando el terreno se satura. Entonces los fenómenos de lavado de los materiales más ligeros (finos) y débiles son arrastrados formando profundos barrancos y cárcavas (figura 2). El frente de erosión avanza cuesta arriba, así que el problema en estos momentos es que ninguno de los dos aliviaderos se puede utilizar para controlar el nivel del agua del embalse sin aumentar el avance de la erosión y el consiguiente daño amenazante a la presa.

4. EL EQUILIBRIO

Durante esta tormenta, se han modulado y equilibrado las tasas de descarga y evacuación de agua con las del avance de la erosión, se ha jugado a buscar el equilibrio óptimo que minimice el daño, soltando la mayor cantidad de agua sin que la erosión avance hacia arriba. En este caso, las indicaciones dadas en 2005 por varios geólogos y especialistas en geomorfología y dinámica del medio ambiente (figura 3) para evitar lo que hoy ha sucedido fueron desechadas porque el coste era de unos 100 millones de dólares.

El coste de la evacuación de 200.000 personas, el daño a infraestructuras aguas abajo y las reparaciones que se esperan van a superar esa cifra preventiva con creces. Con este sistema de equilibrio el nivel del embalse se redujo en unos 2 m diarios.

Figura 3. Ilustraciones: 1. Operaciones normales en la presa de Oroville. 2. Propuesta de actualización rechazada en 2005. 3. Rotura del aliviadero principal a partir del 7 de febrero de 2017. 4. Comienza el uso del aliviadero de emergencia. 5. Avance de la erosión. 6. Riesgos potenciales comentados en este artículo.  Imagen de dominio público. Siéntete libre de usar y compartir.

5. SISMICIDAD INDUCIDA

El 1 de agosto de 1975, un terremoto de M 5,8 golpeó A 8 km al sureste de la ciudad de Oroville (figura 4). El USGS enumera dos eventos, un M 5,7 y otro M 5,8 con 8 segundos de diferencia el uno del otro. En realidad podría ser un solo evento con dos magnitudes posibles, localizaciones y profundidades. Desde julio de 1974 hasta enero de 1975 el nivel del agua del embalse se redujo en aproximadamente 40 m para rápidamente ascender como indican Lahr et al. (1976). Se cree que tales fluctuaciones tan rápidas en el nivel del agua fueron las causantes de haber desencadenado el segundo terremoto más fuerte jamás registrado de manera inducida.

Las razones exactas de este tipo de terremoto inducido aún son bastante inciertas, los científicos atribuimos habitualmente el proceso a la variabilidad de la presión de poro. Cuando se llena una presa, como sucedió por ejemplo en Itoiz, el agua se difunde lentamente en el lecho del macizo rocoso, en su camino están las fracturas y fallas, donde dicha presión de poro se disipa. Este aumento de presión puede disparar roturas y además lubrica los labios de las fallas, lo que reduce la fricción que de otro modo mantiene a las fallas prácticamente cerradas, y por lo tanto hace que se vuelvan más susceptibles a la rotura y desplazamiento.

Hoy en día, un concepto que era bastante extraño y poco común en 1975 es desafortunadamente algo muy común en EE.UU: la inyección de aguas residuales en pozos profundos en Oklahoma está haciendo exactamente lo mismo, y el más grande hasta el momento ostenta la misma magnitud que en Oroville: el 3 de septiembre del año 2016 en Pawnee, Oklahoma, se produjo el terremoto récord por inyecciones de la industria del fracking, M 5,8. Debido a la geometría de la falla que actuó en 1975 en Oroville, los cálculos realizados por Bell y Nur (1978) sugieren que el peso del agua en realidad evita el desplazamiento de las fallas, inhibiendo la rotura y por lo tanto la sismicidad inducida. Sin embargo, la lenta difusión del agua en la zona a lo largo de la propia falla, que puede llevar años, termina por disparar terremotos. Así se explica la demora en este tipo de sismicidad. La desecación rápida tras la sequía de 1974 supuso una tremenda pérdida de peso, pero el posterior llenado del embalse de Oroville de julio 1974 a enero 1975, también podría haber causado un debilitamiento de la corteza al acumularse la presión de poro.

Una cuestión interesante que se plantea ahora, es si después de cinco años de sequía, el rellenado actual tan desproporcionado y rápido tras el invierno de 2016-2017 desde aproximadamente un tercio hasta el rebose, podría establecer un escenario favorable para futuros terremotos inducidos en las inmediaciones de la presa. Hay precedentes y los hipotéticos mecanismos descritos se van a dar, sea por presión de poro o distorsión de las condiciones corticales. Cabe señalar que la presa ha sido regularmente objeto de un análisis de riesgo sísmico riguroso, California es una zona sísmica, el embalse se construyó con laderas cuyos factores de seguridad estaban por encima de 1,8. Sin embargo, tanto la integridad del aliviadero que ya se ha visto vulnerable y dañado, así como la resiliencia a la acción sísmica, obligan una vez más a hacer frente a la misma necesidad de seguridad, resistencia y vigilancia.

Figura 4. El terremoto M 5.8 del 1 de agosto de 1975 al sur de  Oroville, California, fue debido al llenado rápido del embalse tras un año 1974 de sequía extrema (Lahr et al.).

6. LAS LECCIONES APRENDIDAS

Las personas evacuadas pueden volver a sus hogares, pero las tormentas anunciadas para el fin de semana han hecho que muchos no lo hagan o solamente se dirijan temporalmente a sus viviendas para recoger pertenencias. Mientras tanto muchos ambientólogos han sacado a relucir el impacto del Cambio Climático y sus efectos en Caifornia, con más sequías prolongadas acompañadas de más eventos extremos y con episodios de lluvias violentas, dato a tener en cuenta para el diseño y mantenimiento de estas grandes obras de infraestructura.

Los habitantes pueden volver, pero nadie les garantiza que no vayan a sufrir otro nuevo sobresalto. Varios expertos independientes que opinan en las redes y medios locales han apuntado que la estrategia llevada a cabo de vaciar lo máximo posible con un ojo en el nivel del embalse y otro en el avance de la erosión, tiene sentido. El embalse debe estar lo suficientemente vacío para manejar adecuadamente el flujo de entrada de agua considerando el pronóstico del tiempo; el tren de tormentas que se espera para la próxima semana no parece que vaya a ser tan intenso como el de la semana pasada. Conseguir que la central eléctrica vuelva a funcionar será vital para el resto del invierno y la primavera, cuando la nieve se derrita y desde Sierra Nevada se genere una fuerte escorrentía.

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Los planes de evacuación funcionaron razonablemente bien, las personas que viven aguas abajo están bien formadas, informadas y adiestradas. Los datos de las advertencias así como los más negativos sobre el mantenimiento son de carácter público, no se ocultan ni son objeto de críticas violentas, todo el mundo puede acceder a ellos, opinar y presentar iniciativas. En España aún tenemos mucho que aprender.