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Fue imposible prever que lo que comenzó como una fuerte lluvia el 18 de mayo de 2020 terminaría con la brutal falla de las represas de Edenville y Sanford en Michigan, Estados Unidos.

Sin embargo, la catástrofe podría haberse evitado, según las conclusiones a las que llegó un Equipo forense independiente (Independent Forensic Team, IFT) en su informe publicado en septiembre de 2021 por la Comisión Federal Reguladora de la Energía.

«El principal culpable fue la represa de Edenville», explica Vincent Castonguay, ingeniero de investigación de Seequent. «Si no hubiera tenido la falla, la represa Sanford probablemente todavía seguiría en pie hoy en día».

El 19 de mayo, a las 5:35 p. m., sobrecargada por el diluvio, la represa de Edenville se rompió. Rebalsó rápidamente a la represa Sanford aguas abajo y envió un muro de agua a lo largo del río Tittabawassee.

La inundación forzó la evacuación de más de 10 000 personas en las Midlands, Sanford y las comunidades Saganar, se inundaron más de 2500 edificios y hubo más de $200 millones en daños. Por sorpresa, no hubo víctimas fatales.

Los testigos capturaron imágenes en video del momento exacto en el que falló la primera represa.

«Para los ingenieros esto es impactante, puesto que rara vez podemos ver eventos como este en tiempo real»,

explica Castonguay. El equipo forense pudo comparar directamente sus simulaciones de falla de represas del software GeoStudio con las imágenes reales grabadas.

Los resultados de sus análisis mostraron una coincidencia perfecta y ayudaron a determinar que la causa era un fenómeno de falla de represa relativamente raro: la licuación estática.

Terraplenes pronunciados y suelos sueltos

Edenville y Sanford fueron dos de las cuatro represas que eran propiedad de Boyce Hydro Power a lo largo del río Tittabawassee, que se construyeron en la década de 1920 para generar hidroelectricidad.

«Si la represa de Edenville se construyera en la actualidad, la licuación estática no sería un riesgo», comenta Castonguay. «Sin embargo, se construyó 100 años antes de que existiera la mayor parte de nuestra comprensión actual de la ingeniería geotécnica y los estándares modernos de seguridad para represas».

Hoy en día, los terraplenes se construyen lentamente desde abajo hacia arriba en capas o elevaciones individuales y densamente compactados.

«Utilizamos pendientes suaves para aumentar la estabilidad a largo plazo, ya que la mayoría de los suelos son naturalmente inestables en pendientes pronunciadas»,

explica Castonguay. «Además, durante la fase de diseño, controlamos de manera estricta los tipos de suelo utilizados con pruebas constantes para garantizar que las propiedades coincidan o superen nuestras suposiciones».

En el caso de la represa de Edenville de 190 metros, gran parte del problema de construcción consistió en el uso de una técnica que se conoce como relleno hidráulico. «Básicamente, se apila un montón de material suelto, saturado y sin compactar», explica Castonguay.

«El terraplén también estaba bastante empinado a 1.8: 1 (horizontal a vertical), una relación de pendiente que llamaría la atención de cualquier ingeniero, a menos que estuviera bien compactado, pero no fue el caso».

La represa Sanford era una estructura similar pero más pequeña que Edenville, con un desagüe cerrado, un desagüe de emergencia y una central eléctrica.

«Aunque podría decirse que no son las más estables, ambas represas seguían siendo firmes y tenían un factor de seguridad suficiente para garantizar la estabilidad en condiciones normales de funcionamiento», dice Castonguay.

Sin embargo, el análisis geotécnico del IFT, realizado con los programas SLOPE/W, SEEP/W y SIGMA/W de GeoStudio, demostró que las incesantes lluvias hicieron que el nivel del yacimiento aumentara constantemente, lo que empeoró la estabilidad de la represa.

«Estamos hablando de arenas sueltas, pronunciadas y saturadas: las condiciones perfectas para la licuación estática que conduce a la falla de la represa», comenta.

Reconstrucción del rompecabezas de la licuación estática

El evento meteorológico extremo elevó el lago Wixom, el yacimiento artificial detenido por la represa Edenville, a niveles peligrosamente más altos que nunca.

Los residentes frente al mar cuyas casas flanquearon toda la periferia del lago observaron intranquilos como el agua llegaba a solo 30 centímetros de la cima del terraplén.

Según el IFT, el nivel del yacimiento aumentó aproximadamente 1.8 metros en los dos días que precedieron a la falla (0.9 metros más que el anterior récord de elevación establecido en 1929).

El software SEEP/W de GeoStudio se utilizó para simular el aumento del nivel del yacimiento durante la precipitación y su impacto en la estabilidad general de la represa.

«En mi opinión, la forma en la que el IFT decidió usar nuestro software demuestra claramente la amplia experiencia y riqueza de conocimientos de este equipo»,

explica Castonguay. El análisis SEEP/W simula la filtración y la transferencia de agua que se produce en un medio poroso, como una represa de tierra.

«En este caso, el IFT simuló la respuesta de la represa Edenville a la gran precipitación y cómo eso afectó el nivel piezométrico dentro de la estructura», dice Castonguay.

El análisis de estabilidad SLOPE/W utilizó los resultados de SEEP/W para establecer correctamente el lugar donde se encontraba el nivel piezométrico y, luego, calcular cuán estable o inestable era la represa en varios momentos de la línea de tiempo del evento.

«SLOPE/W fue extremadamente útil para entender cuándo la estabilidad era más marginal o cuándo era más estable», explica Castonguay.

Los suelos saturados presionaron más allá de su límite

Sin embargo, estos dos tipos de análisis no explican por sí solos la falla. La estabilidad no era lo suficientemente marginal como para que se produjera una falla.

Lo interesante es que los resultados SEEP/W y SLOPE/W se integraron en SIGMA/W para simular el comportamiento de la tensión.

«Específicamente, las condiciones de estrés dentro de la represa que, una vez calculadas, ayudaron a identificar la zona en donde era probable que ocurriera la licuación estática», comenta Castonguay.

La IFT concluyó que, debido a que el nivel del lago Wixom se elevó, aumentó la carga hidráulica en el terraplén y puso más tensión que nunca en la estructura de tierra.

El nivel más alto puede haber introducido agua del yacimiento a capas permeables del terraplén superior. Esto probablemente causó el hundimiento que se formó antes de la falla, lo que alertó a los testigos sobre el punto exacto de la inminente falla que pudieron filmar.

«El aumento de la filtración y el aumento de la presión del agua intersticial habían saturado los suelos arenosos sin compactar dentro de la estructura. La descarga de la punta de la represa era todo lo necesario para desencadenar la licuación estática y el colapso resultante», agrega Castonguay.

Innovación para dar sentido a los eventos extremos

El trabajo de cualquier equipo forense es reconstruir la historia al reunir la evidencia y dar sentido a los eventos.

«Aquí es donde realmente se destaca GeoStudio como herramienta para navegar de forma fácil y sencilla por desafíos complejos»,

explica Castonguay. «Es una solución escalable que puede adaptarse a cualquier tipo de problema de ingeniería geotécnica, a petición del usuario».

La licuación estática es un problema complicado, pero, en este caso, el IFT pudo resolver fácilmente cómo el gran evento de precipitación afectó la estabilidad de la pendiente y calcular el estado de tensión dentro de la represa.

Las condiciones del agua cambiaron, la presión deficiente del agua intersticial aumentó debido a la elevación del yacimiento, lo que se tradujo en menores tensiones efectivas y menor resistencia.

«El atractivo de los productos de GeoStudio, SLOPE/W, SEEP/W y SIGMA/W, a veces utilizados en secuencia y otras veces juntos, hizo que el equipo forense pueda crear fácilmente una narrativa para dar sentido a los fenómenos de licuación y explicar la falla», comenta Castonguay.

«Todo el mérito es de su solución imaginativa: fue una forma estupenda de superar un desafío realmente complejo».