Estudio del comportamiento de una presa de tierra en condiciones de desembalse rápido mediante modelación numérica en 3D, Caso: presa Mancilla, Municipio de Facatativá

Abstract

Este trabajo se centra en el estudio del comportamiento ante desembalse rápido de presas en tierra. Para esos fines, se utiliza el caso de estudio de la presa en tierra Mancilla, construida para suministrar agua durante las temporadas de sequía a los habitantes del Municipio de Facatativá, ubicado 30 km al occidente de la ciudad de Bogotá. En particular, se estudia la influencia de la variación del nivel de agua en la cara del talud, los cambios en la presión de poros, la tasa de salida del agua y su relación con la estabilidad de la presa en tierra ante eventos de desembalse. Para ese propósito, la estabilidad en condiciones de abatimiento rápido se simula mediante modelación 3D y 2D de elementos finitos, utilizando la información disponible sobre el entorno geotécnico-geológico, la geometría de la presa y las propiedades de los materiales. La estabilidad de la presa se evalúa mediante el factor de seguridad en un análisis de flujo semi acoplado, abordando tanto las condiciones iniciales de presión de poros en condición de saturación y su paso gradual a parcial saturación durante el descenso del agua. Adicionalmente, para evaluar las presiones de poros reales en la presa, se cuenta con registros históricos de piezómetros de cuerda vibrante en diferentes puntos del terraplén, medidos durante episodios de salida controlada de agua embalsada. Así, las predicciones calculadas con modelación numérica se validan con los registros de presión medida para garantizar que el análisis proporcione una solución coherente y razonable. Finalmente, se construyen curvas de operación en términos del factor de seguridad como una función de la velocidad de abatimiento; estas curvas darían una idea del nivel de riesgo que se enfrentaría, aportando elementos para la toma de decisiones. Se espera identificar tasas de abatimiento para que el operador pueda regular la apertura de las válvulas, sin comprometer la estabilidad de la presa durante las temporadas secas.

Abstract: This work is focused on studying earth dams behavior under rapid drawdown. To this end, the Mancilla earth dam case of study is considered, which was built to supply water during drought seasons to the inhabitants of Facatativá, a town located 30 km west from Bogotá. In particular, the influence of water table level, pore-water pressure changes, drawdown rate and their relation to earth dam stability are studied. For that purpose, dam stability under rapid drawdown conditions is simulated by finite element 3D and 2D modeling, using available information about geotechnical-geological environment, dam geometry and material properties. The earth dam stability is evaluated via safety factor under coupled and semi coupled flow analysis, to properly address both the initial conditions of pore pressure in the saturated soil and its gradual transition to partial saturation during rapid reduction of water level. Additionally, earth dam pore pressures are recorded historically through vibrating wire piezometers at different points of the embankment during controlled drawdowns episodes. Then, predictions of calculation are validated with measured pressure records to ensure that analysis provides a coherent and reasonable solution Finally, operating curves, in terms of the safety factor, are drawn up as a function of the speed under drawdown conditions; these curves would give an idea on the level of hazard that would be faced, useful for decision making processes. It is expected to identify drawdown rates that can be handled without compromising the stability; so that dam operator will be able to regulate valves opening to keep stability within acceptable levels of safety during dry seasons.