Durante 1985, se incautó una tubería de acero de alto voltaje en la central eléctrica de almacenamiento por bombeo del condado de Bath, en Estados Unidos. Aunque la cortina de drenaje se colocó cuidadosamente en la zona de los tubos de acero, no tuvo el efecto esperado debido a la estructura en capas de piedra arenisca. Los accidentes por rotura de pandeo de tuberías de acero de alta presión en centrales hidroeléctricas nacionales y extranjeras a menudo ocurren bajo la acción de la presión del agua externa. También hay muchos ejemplos de fracturación hidráulica en túneles hidráulicos de alta presión. Los accidentes por derrumbe en proyectos de túneles, como los túneles hidráulicos, ocurren con frecuencia, principalmente debido a los efectos adversos del agua en las fisuras de las rocas.
Los deslizamientos de tierra son desastres naturales frecuentes. Los deslizamientos de tierra naturales más grandes son en su mayoría deslizamientos de tierra en masas rocosas. En 1963, el deslizamiento de tierra en la zona del embalse cerca de la orilla izquierda de la presa del arco de Vajont en Italia alcanzó un volumen de 250 millones de m3. Fue el mayor deslizamiento de tierra registrado en ese momento en términos de escala, velocidad de deslizamiento y gravedad del desastre. Desde 65438 hasta la década de 1960, la mecánica de rocas, especialmente la hidráulica de rocas, estaba todavía en su infancia y no se estimaba que los deslizamientos de tierra causarían miles de muertes, por lo que no se podían tomar medidas de pronóstico y tratamiento eficaces. En abril de 2000, se produjo un deslizamiento de tierra de unos 300 millones de metros cúbicos en la montaña de granito en la margen izquierda del río Zangbo en Gongyi, Tíbet. Según el análisis, el deslizamiento de tierra fue causado por el derretimiento de la nieve y el agua que se filtró hacia la montaña. Los sitios de centrales hidroeléctricas, carreteras, ferrocarriles, etc. tienen altas pendientes rocosas causadas por excavaciones artificiales. Muchos taludes de roca artificial han sufrido deslizamientos de tierra debido a la influencia de las precipitaciones, el agua de construcción y el agua sanitaria, provocando pérdidas de distinto grado. En muchos proyectos se han adoptado medidas de gestión integrales centradas en el drenaje para prevenir eficazmente los deslizamientos de tierra.
En resumen, muchos accidentes de ingeniería están relacionados con la hidráulica de rocas. Este artículo sólo utiliza algunos ejemplos de accidentes de ingeniería importantes para ilustrar la importancia y urgencia de estudiar, aprender y dominar la hidráulica de rocas.
2 Rotura de la presa Malbase Arch en Francia
2.1 Introducción a la presa Malbase Arch La presa Malbase Hyperbolic Arch está ubicada en el río Leland en el sur de Francia. La presa tiene 66 m de altura. y tiene una capacidad total de almacenamiento de 510.000 m3. La elevación de la cresta de la presa es de 102,55 metros y la longitud del arco superior es de 223 metros. El espesor de la presa cambia gradualmente de 1,5 m en la parte superior a 6,76 m en la parte inferior central, lo que la convierte en una presa de arco delgado hiperbólico. En la margen izquierda existe un muelle de empuje por gravedad con muro de ala, de 22 m de longitud y 6,50 m de espesor. La altura máxima del hormigón hasta la superficie de los cimientos es de 11 m y la profundidad de excavación es de 6,5 m. Se coloca un aliviadero sin compuertas en el centro de la parte superior de la presa. La cimentación de la presa es de gneis, con un ángulo de inclinación de esquistosidad que oscila entre 30° y 50°, inclinándose hacia la margen derecha aguas abajo. La parte media del esquisto más grande está llena de milonita. Hay dos fallas principales dentro del sitio de la presa. Una falla es F1, que corre casi de este a oeste con un ángulo de inclinación de 45° y se inclina río arriba. La zona de falla está llena de brechas arcillosas y tiene 80 cm de ancho. El otro es F2 en dirección norte-sur, inclinándose hacia la margen izquierda con un ángulo de inclinación de 70° ~ 80° (Figura 1).
Figura 1 Principales estructuras geológicas de la presa del Arco de Malbasset
Figura 2 Línea de proceso del embalse de la presa del Arco de Malbasset
2.2 Proceso de falla de la presa del Arco de Malbasset Presa del Arco Se completó y almacenado a finales de 1954. Los niveles de agua de los embalses están aumentando lentamente. Cinco años más tarde, a mediados de octubre de 1959, el nivel del agua en el embalse alcanzó los 95,2 m. En ese momento, el agua fluía desde la roca 20 m aguas abajo del sitio de la presa y a una altitud de 80 m. Debido a una fuerte lluvia, el nivel del agua del embalse subió a 100 m en la mañana del 2 de febrero de 65438 (Figura 2). Por la tarde, los ingenieros visitaron la presa para estudiar cómo prevenir los efectos adversos de las filtraciones de agua. Al no encontrarse anomalías en la presa, se decidió abrir la compuerta a las 6 p.m. para bajar el nivel del agua del embalse. No se encontraron vibraciones después de abrir la puerta. Los administradores inspeccionaron repetidamente la presa por la noche y no encontraron nada inusual. Salieron de la presa a las 21.
A las 21:20, la presa se rompió repentinamente. En ese momento, el nivel del agua del embalse era de 100,12 m. Según varios testigos del desastre ocurrido 1,5 km río abajo de la presa, primero sintieron que la presa se sacudía violentamente, luego escucharon un ruido fuerte y repentino, similar al rugido de un animal, y luego sintieron una fuerte ola de aire. Finalmente, vieron una enorme pared de agua corriendo valle abajo y, al mismo tiempo, se cortó el suministro eléctrico. Después de que la inundación abandonó el cañón, el caudal todavía alcanzó los 20 km/h. La ciudad de Frehus, 12 km río abajo, quedó parcialmente destruida, lo que provocó 421 muertes y 30 mil millones de francos en pérdidas materiales. A la mañana siguiente se descubrió que la presa había sido arrastrada. En la orilla derecha, cerca de los cimientos, sólo quedaba el arco de la presa. Algunos bloques de la presa, 1,5 kilómetros más abajo, habían sido arrastrados. La masa rocosa de los cimientos de la presa en la orilla izquierda. sido arrastrado desde una profunda zanja.
2.3 Investigación y análisis después de la falla de la presa El gran desastre causado por la falla de la presa Malbase Arch en 1959 conmocionó a la comunidad de ingenieros. No había ningún precedente de una falla de la presa antes. El accidente ocurrió en un momento en que la construcción de presas, especialmente la construcción de presas de arco, era la más avanzada del mundo. La presa fue diseñada por Coyne, el maestro de diseño más prestigioso; era la presa más alta en el récord de roturas de presas en ese momento; ; la rotura de la presa destruida La ciudad de Fréjus provocó un enorme desastre en la región más rica del Mediterráneo; el accidente demostró que cualquier tipo de presa de arco, incluidas las consideradas más seguras, sería destruida (Serafim, 1987). El accidente de la presa Malbase Arch demostró que se sabía poco sobre el flujo de agua a través de masas rocosas. Esta dolorosa lección impulsó en gran medida el desarrollo de la mecánica de rocas, especialmente la hidráulica de rocas. Este artículo citará literatura publicada para analizar el mecanismo del accidente desde la perspectiva de la hidráulica de rocas.
2.3.1 Análisis oficial de la causa de la rotura de la presa El Ministerio de Agricultura francés, propietario de la presa Malbasset Arch, creó un comité de investigación el 5 de febrero de 2018. Unos meses más tarde se presentó un informe provisional. El informe final en nombre del gobierno se presentó en agosto de 1960 y se publicó el informe de verano de 1962 (Laeger, 1963). El cuerpo principal del informe tiene sólo 55 páginas y hay 40 archivos adjuntos, por lo que * * * se forma un informe de tres páginas. El comité encargó a EDF que revisara la tensión de la presa. La tensión de compresión máxima es de 6,1 MPa y el factor de seguridad de compresión del hormigón es de 5,3. Hay una tensión de tracción local de 65438±0 MPa en la bóveda. EDF también inspeccionó las condiciones de trabajo independientes de los arcos. El muelle de gravedad en la margen izquierda también ha sido revisado y se ha comprobado que es seguro bajo la única acción del anillo del arco. Una gran cantidad de bloques de hormigón con lecho de roca fueron arrastrados y no se encontraron signos de daño en la interfaz entre el hormigón y la roca. La calidad del hormigón es buena, con una resistencia a la compresión de 33,3 MPa ~ 53,3 MPa. De esto se puede juzgar que el accidente de la presa fue causado por la roca de fundación de la presa. La Comisión creía que la presión del agua que se filtraba debajo de la presa causó la primera etapa del daño (Jaeger, 1979, 391).
2.3.2 Discusión entre la comunidad de ingenieros de presas sobre las causas de la falla de la presa Después de que se publicó el informe final oficial francés, atrajo una atención generalizada entre la comunidad de ingenieros de presas. Coyne y Bellier realizaron pruebas de permeabilidad en el gneis en los cimientos de la presa del arco de Malpusset (Bellier y Londres, 1976) y obtuvieron una relación obvia entre permeabilidad y tensión. Según esta relación, las causas de los accidentes de presas de arco se explican claramente, y Lund (1985, 1987) informó en la Conferencia Internacional sobre Fundamentos de Ingeniería y el Simposio Internacional sobre Accidentes de Presas. Durante este período, se publicaron algunos artículos importantes');" & gtLos principales artículos y monografías incluyen Jaeger (1963, 1979), Habib (1987), Post y Bonazzi (1987), Serafim (1981, 658). Más de 40 años han ha pasado desde el accidente de la presa Malbasai Arch, y la causa del accidente aún no se ha entendido completamente. Sin embargo, la mayoría de los expertos creen que la presión excesiva del agua intersticial en los cimientos de la presa fue la causa principal del accidente. 2. 3 El análisis de Londe (1987) de gneis con estructura laminar muestra que cuando la carga de la franja estrecha es perpendicular a la foliación, la tensión se difunde a la profundidad del macizo rocoso en forma de difusión, y cuando la carga es paralela a la foliación En la foliación, la tensión se distribuye a la profundidad del macizo rocoso en forma de franja pero no puede extenderse (Fig. 3). Debido a la relación espacial relativa entre la presa del arco de Malbasa y el esquisto de gneis, el empuje de la izquierda. El arco del pilar es paralelo al esquisto y el empuje del arco del pilar derecho es perpendicular al esquisto. La distribución de tensiones del macizo rocoso en los estribos izquierdo y derecho de la presa después de la carga es muy diferente debido a la presencia de la falla F1. En el lado izquierdo de la presa, se forma una franja de macizo rocoso de alta tensión en el estribo izquierdo de la presa desde el soporte del arco hasta la falla F1.
Bernex realizó pruebas en interiores sobre la relación entre la permeabilidad y la tensión del gneis después de la falla de la presa Malbase Arch y descubrió que la relación entre la permeabilidad y la tensión del gneis es muy obvia. Esta relación está representada por el índice s:
Figura 3 Distribución de tensiones de foliación vertical y procesamiento paralelo bajo carga
S=k-1/k50
( 1)
En la fórmula: k-1 es el coeficiente de permeabilidad del bloque de roca cuando el esfuerzo de tracción es de 0,1 MPa, y k50 es el coeficiente de permeabilidad del bloque de roca cuando el esfuerzo de compresión es de 5 MPa.
Las pruebas muestran que el índice S máximo puede llegar a 200. Según los resultados de las pruebas de la relación entre la permeabilidad de la roca y la tensión, bajo la acción del empuje de la presa de arco, las fallas desde el arco de estribo izquierdo de la presa hasta F1 en realidad formaron franjas de cortinas impermeables, equivalentes a una presa subterránea. El coeficiente de permeabilidad de esta área es sólo 1/100 o menos que el de la roca circundante. Dado que los coeficientes de permeabilidad dentro y fuera de la zona son 100 veces diferentes, toda la altura del agua de filtración alrededor de la presa se consume en la zona anti-filtración. Por lo tanto, hay una presión correspondiente a la altura total del agua aguas arriba de la zona anti-filtración. La masa rocosa de los cimientos de la presa izquierda se deslizó a lo largo de la falla F1 bajo la acción de la presión hidráulica total, lo que provocó la falla de la presa en arco (Figura 4).
2 . 3 . 4 Análisis de Wittke y Leonards El profesor Wittke de la Universidad de Aquisgrán en Alemania Occidental inspeccionó el sitio de la presa Malbase Arch en el otoño de 1984 e inmediatamente realizó una investigación sobre las causas del accidente de la presa. Como profesor visitante en la Universidad de Aquisgrán, el autor participó parcialmente en este trabajo de investigación. Partiendo de la teoría de carga incremental de la filtración del macizo rocoso, Wittke utilizó el método de elementos finitos para analizar la deformación y la tensión de la presa y los cimientos de la presa bajo la acción de la presión del agua, el peso propio y la carga de filtración. Los resultados muestran que el macizo rocoso en el talón de la presa del arco produce esfuerzos de tracción en la dirección vertical de la foliación, y la foliación en este lugar produce grietas de tracción. El agua del yacimiento ingresa a la grieta y la divide hacia la falla inferior, creando una presión total en la grieta, lo que hace que el estribo izquierdo de la presa se desplace hacia F? 1 El macizo rocoso de la falla es inestable (Figura 5) y la presa se rompe.
Figura 4 Explicación de Londe sobre el fallo de la presa del Arco de Malbasset.
Figura 5 Explicación de Vitek sobre el fallo de la presa Malbase Arch.
El análisis de falla de la presa de arco de Malbasset en las Figuras 4 y 5 es consistente en su forma, pero el punto de partida es diferente. Hay varios planos estructurales en el macizo rocoso, como juntas, fisuras, esquistosidad, lechos y fallas, y el flujo de agua se mueve principalmente a lo largo de estos planos estructurales. Para la mayoría de las rocas, la permeabilidad del macizo rocoso suele ser insignificante. Desde esta perspectiva, el análisis de Vitek de las causas del fracaso de la presa Malbase Arch es el más realista. Serafim y Vitek comparten esencialmente las mismas opiniones.
2.4 Resumir el desastre provocado por la rotura de la presa del Arco de Malbasset. El análisis y la investigación de este accidente han profundizado la comprensión de la comunidad de ingenieros sobre la mecánica de rocas y han promovido el desarrollo de la hidráulica de rocas, que ahora se ha convertido en una rama importante de la mecánica de rocas. Obviamente, la formación de la hidráulica de rocas es de gran importancia para el desarrollo de la ciencia y la seguridad de la ingeniería. En el Simposio Internacional sobre Falla de Represas celebrado en la Universidad de Purdue en 1987, el presidente G.A. Leonards hizo un comentario en su discurso final: "...La falla de la presa Malbase fue el catalizador para la formación inicial de la mecánica de rocas hasta convertirse en una disciplina próspera de la mecánica de rocas. . La principal fuerza impulsora de las disciplinas de la ingeniería, puede usarse ampliamente en la ingeniería civil, incluida la estabilidad de presas, túneles, grandes cavernas subterráneas, pendientes de roca natural y pendientes de roca artificial..."