Erosión interna

La erosión interna es la formación de huecos dentro de un suelo causada por la eliminación de material por filtración . ^[1] Es la segunda causa más común de falla 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 y/o de los cimientos son suficientes para desprender partículas y transportarlas fuera de la estructura de la presa. La erosión interna es especialmente peligrosa porque puede no haber evidencia externa, o solo evidencia sutil, de que está ocurriendo. Por lo general, se puede encontrar una ebullición de arena , pero la ebullición puede estar oculta bajo el agua. Una presa puede romperse en cuestión de unas horas después de que se haga evidente la evidencia de erosión interna.

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

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

• A través del terraplén
• A través de la fundación
• Terraplén en la cimentación
• Asociado a estructuras que penetran a través

El proceso de erosión interna se produce en cuatro fases: inicio de la erosión, progresión hasta formar una tubería, inestabilidad de la superficie y, por último, inicio de una ruptura . La erosión interna también se clasifica en cuatro tipos, según la trayectoria de 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 ruptura. Es posible que la grieta no avance hasta la salida (aunque aún es posible que falle), pero con el tiempo la erosión continua forma una tubería o un socavón.
• Erosión retrógrada : iniciada en el punto de salida del camino de filtración, este tipo de erosión ocurre cuando el gradiente hidráulico es suficientemente alto para provocar el desprendimiento y transporte de partículas; se forma una tubería hacia atrás desde el punto de salida hasta la ruptura.
• Sufusión : se produce en suelos con una amplia gama de tamaños de partículas. Las partículas más finas del suelo se erosionan a través de los espacios vacíos 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 interfases entre suelos gruesos y finos. El agua se filtra a lo largo de la interfase entre los dos suelos, erosionando las partículas de la capa más fina hacia la capa más gruesa.

Las fugas concentradas se producen cuando se forman grietas en el suelo. Las grietas deben estar por debajo del nivel del depósito y debe haber presión de agua para mantener la tubería abierta. Es posible que el flujo de agua haga que los lados de la tubería se hinchen, 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 fuga concentrada no progresará hasta convertirse en una ruptura. ^[8] Las grietas que permiten fugas concentradas pueden surgir debido a muchos factores, entre ellos:

• Arqueamiento transversal del valle que genera tensiones verticales en los lados de la presa
• Arqueamiento del núcleo en los hombros del terraplén
• Asentamiento diferencial (por encima del 0,2 % de diferencial, es casi seguro que se forme una grieta)
• Pequeñas irregularidades durante el tratamiento del núcleo (por ejemplo, debido a una mala compactación)
• Grietas y huecos adyacentes a aliviaderos o muros de contención o alrededor de conductos
• Diversos factores ambientales como la desecación , el asentamiento durante los terremotos , la congelación, las madrigueras de animales , la vegetación/raíces.

Las grietas longitudinales surgen de la expansión del terraplén, mientras que las aberturas transversales, que son mucho más comunes, se deben al asentamiento vertical de la presa. La tensión cortante hidráulica crítica τ _c requerida para el inicio de la erosión por fugas concentradas se puede estimar mediante pruebas de laboratorio, como la prueba de erosión por agujero (HET) o la prueba de erosión por chorro (JET) . ^[9]

La erosión retrógrada se produce a menudo en suelos no plásticos, como las arenas finas . Puede producirse en cimientos arenosos, dentro de la presa o dique, o en ataguías sometidas a altas presiones de inundación durante la construcción, lo que provoca el desmoronamiento de la cara aguas abajo. También se produce en regiones propensas a deslizamientos de tierra e inundaciones donde se han alterado las pendientes. ^[10]

La erosión retrógrada se manifiesta con mayor frecuencia por la presencia de ebullición de arena en el lado de aguas abajo de las presas. Los experimentos de Sellmeijer y sus colaboradores han demostrado que la erosión retrógrada se inicia en una ranura a través de los estratos que recubren 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 altura, y una vez que esta es mayor que un valor crítico (0,3-0,5 de la longitud del camino del flujo), el canal se extiende aguas arriba. Más allá de esto, en cualquier altura mayor que el valor crítico, la erosión progresa hasta que finalmente, los conductos se abren paso hasta el embalse de aguas arriba, momento en el que se produce una ruptura. Para que se produzca la erosión retrógrada, el cuerpo de la presa o dique debe formar y mantener un "techo" para el conducto.

La sufusión ocurre cuando el agua fluye a través de suelos sin cohesión, con granulometría amplia o con granulometría discontinua . ^[7] Las partículas más finas son transportadas 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 del suelo más grueso. La velocidad del flujo de agua también debe ser suficiente para transportar esas partículas finas.

La sufusión conduce a una mayor permeabilidad en el núcleo del terraplén, mayores velocidades de filtración y posiblemente fracturas hidráulicas. También puede conducir a asentamientos ^[14] si se produce en la base de la presa. Los suelos sujetos a sufusión también tienden a verse afectados por la segregación . El enfoque Kenney-Lau es un método reconocido para el análisis de la sufusión, que utiliza la distribución del tamaño de partícula para evaluar la estabilidad interna de un suelo, lo que afecta directamente la probabilidad de que se produzca la sufusión. ^{[ cita requerida ]}

La erosión por contacto del suelo se produce 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 las partículas más finas del suelo puedan pasar a través de los poros de la capa gruesa. Cuando se inicia la erosión por contacto, se forma una cavidad, lo que conduce a una reducción de la tensión. Luego, el techo de la cavidad se derrumba; el material colapsado se transporta hacia afuera, lo que da como resultado una cavidad más grande. El proceso continúa hasta la formación de un sumidero. Es posible que una cavidad no se derrumbe; esto provocará que se produzca una erosión inversa.

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

Es posible interrumpir el proceso de erosión interna con el uso de filtros. Los filtros atrapan las partículas erosionadas permitiendo la filtración y normalmente son más gruesos y permeables que el suelo filtrado. El tipo de filtro necesario 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 lo 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.