revista interpretaciÓn hidrodinÁmica y...

INTERPRETACIÓN HIDRODINÁMICA Y SEDIMENTARIA DE LAROTURA DE LA BALSA DE SAN JUAN (ALTORRICÓN, HUESCA)

Hydrodynamic and sedimentary interpretation of the San Juan Dam break(Altorricón, Huesca)

R. J. Batalla y J. C. Balasch

Departament de Medi Ambient i Ciències del Sòl.Universitat de Lleida. Av. Alcalde Rovira Roure,177. 25198 Lleida. [email protected]. Tel. 973 702676 / Fax. 973 702613

Resumen: El objetivo de este trabajo es la reconstrucción e interpretación hidrodinámica y sedimentaria de la roturay posterior colapso de una parte del dique de la balsa de riego de San Juan ocurrida en enero de 2001 en Altorricón(Huesca). Se describen los procesos y las formas geomorfológicas erosivas y deposicionales producidas por los cau-dales líquidos y sólidos liberados durante el suceso. El volumen de agua vertido fue de unos 300.000 m3 con un cau-dal pico estimado de 172 m3 s-1. Como consecuencia de la rotura se liberaron alrededor de 3.350 toneladas de sedi-mentos, el 80% de los cuales se depositaron en forma de cono de deyección al pie de la brecha. El transporte de blo-ques métricos fue posible gracias a la formación de un flujo hiperconcentrado con una densidad aproximada 1,35 t m-

3. La principal causa de la rotura y el colapso del dique de la balsa fueron las fugas hipodérmicas del agua de la balsay un sellado incorrecto del fondo de su vaso, favorecidas por un emplazamiento inadecuado sobre materiales cuater-narios altamente permeables.

Palabras clave: balsa de riego, rotura, materiales cuaternarios, erosión, deposición, crecida, flujo hiperconcentrado,balance de sedimentos.

Abstract: This study presents a hydrodynamic and sedimentary reconstruction and interpretation of the San Juan dam-break occurred in January 2001 in Altorricón (Huesca). Geomorphic processes as well as erosional and depositionalforms created by released water and sediment are also described. Approximately 300,000 m3 of water were releasedduring the outflow following an estimated peak of 172 m 3 s-1. As a consequence, 3,350 metric tones of sediment wereentrained, 80% of them subsequently deposited as an alluvial fan at the dam-break footstep. Metric blocs were trans-ported by hyperconcentrated flows around 1.35 t m-3 in density. Dam break and collapse were mainly triggered byhypodermic fluxes and piping. Non-adequate sealing of the dam bottom and the inappropiate location on top of highly-permeable Quaternary sediments can be pointed out as main causes of the disaster.

Key-words: earth-dam, failure, Quaternary deposits, erosion, deposition, flood, hyperconcentrated flow, sedimentbudget.

Batalla, R. J. y Balasch, J. C. (2001). Interpretación hidrodinámica y sedimentaria de la rotura dela balsa de San Juan (Altorricón, Huesca). Rev. C. & G., 15 (3-4), 109-123. © SEG. AEQUA. GEO-FORMAEdiciones

ISSN: 0214-1744

1. Introducción

La rotura de una presa puede producirse de mane-ra gradual o instantánea. El tipo de rotura depende delas causas y del tipo de presa. Cuando una parte

importante de la presa se rompe y colapsa instantá-neamente se produce una liberación súbita de agua,acompañada generalmente de sedimentos, que sepropaga por toda la zona circundante y aguas abajo.Las presas de hormigón son las que sufren general-

S.E.G.

Revista&

mente este tipo de roturas. Los desastres por rotura enlas presas de tierra son de tipo gradual a lo largo deun período de tiempo más largo. Los procesos derotura y colapso duran, a menudo, algunas horas,aunque las causas iniciales y el proceso de prepara-ción para la rotura pueden haberse producido duran-te varios días o semanas (Vischer y Hager, 1999).

Las zonas de la Depresión del Ebro transforma-das en regadío mediante canales han crecido notable-mente a lo largo del siglo XX. En este contexto, en lasuperficie regada por los canales de la vertienteizquierda del Ebro (por ejemplo, Urgell, Aragón yCataluña) se ha construido un gran número de peque-ños embalses o balsas de regulación para minimizarla estacionalidad y aumentar la capacidad y la efica-cia de los períodos y los turnos de riego. Se calculaque, sólo en el área de Lleida regada por dichos cana-les, existen más de 300 balsas de riego similares a laestudiada, sin que exista una normativa específicasobre su seguridad. No se conocen en la zona antece-dentes destacados de roturas en obras de este tipo,entre otras razones por la estabilidad de los materia-les compactados y la idoneidad de la mayoría desubstratos terciarios de la Depresión del Ebro.

El objetivo de este trabajo es la reconstruccióne interpretación hidrodinámica y sedimentaria de larotura y posterior colapso de una parte del pantanode riego de la Comunidad de Regantes de San Juanen Altorricón (Huesca) en enero de 2001, y la des-cripción de los procesos y los efectos geomorfoló-gicos producidos por los caudales líquidos y sóli-dos liberados durante el suceso. Asimismo, se pro-pone un balance de agua y de sedimentos en órde-nes de magnitud, y una secuencia temporal, tantode los procesos que generaron la rotura de la balsa,como del proceso de vaciado (hidrograma de creci-da), transporte y sedimentación del material arran-cado. Se trata de un nuevo ejemplo de rotura de unabalsa con dique de tierra que se enmarca en la seriemundial de decenas de presas derrumbadas hasta elmomento descrita por Singh (1996).

2. Materiales y métodos

2.1 Situación geográfica y marco geológico

El pantano de riego está situado a 1,7 km alNNO de la población de Altorricón (La Litera,

Huesca) (Figura 1). La topografía original de lazona donde está ubicado corresponde a la de unoscampos de cultivo aterrazados situados a 280 m dealtura s.n.m. El drenaje natural de la zona lo cons-tituye el Arroyo de Orriols que aporta sus escasasaguas a la Clamor de Almacelles (cuenca delCinca), en el límite administrativo entre Cataluñay Aragón.

Los terrenos donde está emplazada la balsa per-tenecen a los materiales terciarios y cuaternariosque conforman el relleno detrítico de la cuenca delEbro. Los sedimentos terciarios representados en lazona corresponden a las areniscas y limos rojos dela Unidad de Sariñena que pertenecen al Ageniense(Oligoceno sup.-Mioceno inf.). Están compuestospor arcillas y limos rojos y ocres con intercalacio-nes de importantes paleocanales de areniscas decolores grises y ocres, que presentan una base cla-ramente erosiva y extensión lateral limitada (Jerezy Gil, 1998). Internamente suelen presentar estrati-ficación cruzada en surcos y planar y han sidointerpretados como depósitos fluviales de canalesmeandriformes instalados en la zona distal de aba-nicos aluviales de gran escala. Los depósitos dearcillas se corresponderían con las litofacies finasdecantadas sobre las llanuras de inundación inter-canal. En conjunto esta unidad puede presentar unapotencia aproximada de 750 m.

El recubrimiento cuaternario está constituidopor una formación superficial compuesta por can-tos, gravas, arenas y limos del Pleistoceno superior.Estos materiales pertenecen a los retazos colgadosde un extenso glacis de cobertera que debió cubriren su momento la mayor parte de las dos vertientesde la Clamor de Almacelles (Sancho Marcén, 1991;Jerez y Gil, 1998). Los materiales del glacis proce-den de las terrazas más elevadas y, por tanto, sonretrabajados. Predominan los cantos calizos, deareniscas, cuarcíticos, de liditas, graníticos e inclu-so de conglomerados permotriásicos. La disposi-ción estratigráfica de los niveles es en lentejones dereducida extensión lateral, con base netamente ero-siva, clastos imbricados y cierta clasificación inter-na. El conjunto, aunque presenta algunos nivelescon acumulación de carbonatos edáficos y nódulosde hierro, se encuentra escasamente cementado ylas matrices arenosas muestran una porosidadintersticial elevada. El grosor de estos materiales,observado en el corte de la rotura y en los surcos

110 Batalla y Balasch (2001). Rev. C&G, 15 (3-4)

Rotura de la balsa de San Juan (Huesca) 111

excavados por las aguas sobre los terrenos circun-dantes, puede alcanzar los 4 m.

Los restos que conforman este glacis recubrenahora las laderas más elevadas de la zona Algayón-Altorricón, recordando la morfología del conjuntoa la de un paleoabanico aluvial procedente delnoroeste. Se ha producido, por tanto, una inversióndel relieve por erosión diferencial, destacando enlas partes elevadas del paisaje los elementos quecorrespondían a los antiguos drenajes pleistocenos(Calvet, 1980).

La balsa de riego de la Comunidad de Regantesde San Juan se encuentra emplazada justamentesobre uno de los retazos de la formación superficialpleistocena (Figura 1), caracterizada, desde el

punto de vista de su comportamiento hidráulico,por la alta permeabilidad de los niveles de cantos,gravas y matriz arenosa. En contraste, los materia-les del substrato terciario presentan una conducti-vidad hidráulica muy reducida, actuando comonivel de base de pequeños acuíferos locales cuandolos depósitos terciarios están recubiertos por losglacis pleistocenos.

2.2 Descripción de la obra civil

La balsa objeto de estudio fue encargada por laComunidad de Regantes de San Juan de Altorricón.Se trata de una balsa con diques de tierra formadapor el apilamiento de diversas capas de material

Figura 1. Mapa de situación del pantano de riego de San Juan (Altorricón, Huesca)y traza de los flujos derramados. Contexto geológico de los materiales

Figure 1. Location map of San Juan dam and spilled-water runs after dam break. Geological context

detrítico heterogéneo superpuestas y compactadaspor separado. Los materiales utilizados procedende la excavación y remoción de los depósitos ter-ciarios de la propia zona. Las obras empezaron en1999 y se dieron por finalizadas a principios delaño 2000. La finalidad principal de la balsa es laaportación de agua para los riegos a partir de losaspersores de distribución radial ubicados en loscampos que la rodean. La balsa tiene una plantaaproximadamente rectangular con las esquinasredondeadas y unas dimensiones de 300 m de lon-gitud y 150 m de anchura media. El dique de tierraque cierra el pantano tiene una altura que oscilaentre 10 m en el lado meridional y los aproximada-mente 20 m de la parte occidental. El dique estácoronado por una plataforma de 6 m de anchuraque circunda todo su perímetro. La pendiente deltalud interno es de 20º y la del talud externo de 35º.La profundidad media del vaso construido (Hd) esde unos 16 m, y su capacidad es de 0,6 hm3.

En las paredes o caras laterales de la zona derotura puede observarse la estructura interna deldique (Figura 2). La base está constituida por unnivel de unos 3 m de espesor de gravas, arenas ylimos pleistocenos. Sobre ellos aparece una alter-nancia de capas de materiales detríticos, principal-mente limos y arcillas compactados, que compo-nen el cuerpo del muro levantado, con una alturamáxima de 7 m. Los primeros 2 m contienen unnúmero mucho mayor de bloques y cantos de are-niscas terciarias que el resto de niveles superiores.En la parte más alta de los depósitos de gravas,cerca del contacto con los materiales superpuestos,pueden apreciarse restos de raíces y otros frag-mentos vegetales que revelan la antigua superficietopográfica cultivada sobre la que se ha levantadoel dique del pantano.

Tras el accidente de la rotura, la balsa de SanJuan fue reparada y puesta de nuevo en serviciodurante la primavera de 2001, después del sanea-miento y reconstrucción de la zona derruida.

2.3. Trabajo de campo y análisis de datos

El trabajo de campo ha consistido en: a) lacaracterización geológica de los materiales afloran-tes en el substrato sobre el que se emplaza la balsa,b) el reconocimiento de los materiales utilizados enla construcción de la balsa, c) el análisis de los talu-

des y orificio de la zona de rotura, d) la cuantifica-ción volumétrica de la zona derruida en el dique, e)la cartografía y el estudio granulométrico de losdepósitos generados por el aluvión torrencial frutode la ruptura, f) la reconstrucción de las líneas delos flujos preferenciales y g) la adopción de crite-rios cronológicos para la datación relativa de lasetapas erosivas y deposicionales.

Posteriormente, se han examinado algunas rela-ciones entre los parámetros relativos a la geometríadel hueco creado por el desplome del dique y otrosparámetros específicos de la balsa y de la onda decrecida relacionada con el desguace súbito. Estasrelaciones se han introducido junto a los resultadosprocedentes de otros casos similares registrados enpresas de tierra de diversos puntos de la Tierra,siguiendo las pautas de análisis propuestas porSingh (1996).

3. Resultados y discusión

3.1 Características de la rotura: antecedentes yefectos

La rotura se produjo alrededor de las 6 de lamañana del día 21 de enero de 2001, cuando labalsa se encontraba al máximo nivel de carga, alfinal de la primera prueba de llenado total. El niveldel agua estaba situado aproximadamente a 1,5 mpor debajo de la cota de coronación (Figura 3).

Anteriormente, a lo largo del año 2000, se habí-an realizado dos pruebas de carga parcial. Duranteéstas, los vecinos de la zona indican que la balsahabía presentado síntomas de pérdidas de agua enel mismo punto de la rotura, acompañadas de grie-tas por asentamiento del cuerpo. Estos hechos habí-an forzado a realizar reparaciones puntuales en laszonas del dique afectadas, consistentes en peque-ños saneos y nuevos rellenos con materiales lutíti-cos posteriormente compactados. Paralelamente,algunas obras de riego que rodean la base del diquesufrían repetidamente daños por el colapso de losmateriales que las sustentan. Se construyeron dre-najes y zanjas alrededor de la base del talud para elcontrol de las filtraciones que iban en aumento. Sinembargo, esta actuación no hizo más que contribuira acelerar el proceso de erosión por escorrentíahipodérmica.



Visto en planta, el eje de la rotura del dique dela balsa no es completamente perpendicular almuro sino levemente desviado hacia el SSE.También en planta, la anchura del dique afectadopor la brecha es de 17 m en su cara interna y de 10m en su parte externa. En perfil frontal, la roturavista desde el exterior tiene forma trapezoidal conuna altura (d) de 10 m y unas anchuras superior(Bs) de 16 m, e inferior (Bi) de 10 m.

Se da la circunstancia de que, una vez vaciadoparte de la balsa por el vertido, fue posible obser-var una cicatriz de unos 15 m de anchura corres-pondiente a otro deslizamiento, situado en el diqueoccidental, que afecta el talud interno del vaso, conun aspecto muy similar al que dio inicio a la roturaque nos ocupa.

El volumen de agua vertido hasta la reparaciónde urgencia, efectuada el mismo día de la rotura, se

Figura 2. Corte esquemático y visión de los materiales el dique de la balsa en la brechaFigure 2. Schematic diagram and general view of materials in the inner part of dam break

ha calculado en unos 300.000 m3. El agua que esca-pó de la balsa siguió dos trayectos: a) El primero,el más caudaloso, siguió el sentido del vertido diri-giéndose hacia el sur para, más tarde, reorientarsehacia el suroeste en dirección al Arroyo de Orriols,cerca ya de la finca de la Melusa, inundando algu-nos tramos de la carretera A-1240 (de la N-240 aAltorricón) y, b) el segundo trayecto bordeó la basedel dique hacia el oeste y fue a buscar directamen-te el Arroyo de Orriols después de atravesar y ane-gar la carretera local que comunica Altorricón yAlgayón. La zona anegada por los dos flujos deagua ocupó unas 170 ha de plantaciones de frutalesy cultivos diversos situados en las zonas más depri-midas de los desagües, con un recorrido máximo de7 km. Además, el agua obligó a desalojar dos gran-jas y afectó momentáneamente a la vía férrea deLleida a Zaragoza y a la carretera N-240.

3.2 Procesos responsables del colapso y rotura

Las observaciones sedimentológicas y geomor-fológicas obtenidas de campo permiten proponerun escenario de procesos anteriores al colapso res-ponsables del suceso ordenados cronológicamente:

Inicio de filtraciones, probablemente, a travésde los materiales pleistocenos altamente permea-bles que aprovecharían algunas fisuras de las capasde recubrimiento impermeable. Las filtracionesaumentaron de magnitud con el incremento de la

presión hidrostática que acompaña a las primeraspruebas de carga parcial.

Formación de galerías hipodérmicas de mayoresdimensiones, con un grado de organización y jerar-quía más avanzado. La velocidad del flujo hipodér-mico permite el arrastre de pequeñas partículas y elinicio de la erosión en los conductos preferenciales.

Vaciado erosivo de los conductos mayores quepuede conllevar la aparición de los primeros colap-sos. Esta dinámica dio lugar a la desestabilizacióninterna de los materiales de la zona próxima a losconductos preferentes.

Transmisión de los colapsos a medida queaumenta la magnitud de los conductos subsuperfi-ciales hasta la aparición de grietas en la superficiede los taludes de la balsa.

Desplome parcial del dique de la balsa dejandoescapar el contenido de su vaso. La salida y verti-do de las aguas almacenadas ocasionó una erosiónsuperficial concentrada en la zona de la brecha quese fue acrecentando a medida que las aguas arras-traron los materiales que encontraron a su paso.

El proceso fue similar al ocurrido en la presa deTeton (Idaho) (Jansen, 1988). La presa estabasituada sobre tobas volcánicas altamente permea-bles, con una importante recarga subterránea regio-nal. Su rotura y posterior colapso tuvieron lugar enjunio de 1976, durante el primer llenado, con unaaltura de 84 m de agua almacenada (7,7 hm3), 7 mpor debajo del nivel de máximo. Las primeras fil-


Figura 3. Vista general de la rotura de la balsa de San Juan (Altorricón, Huesca)Figure 3. General view of the San Juan Dam break (Altorricón, Huesca)


traciones se observaron a las siete de la mañana. Almediodía la presa estaba totalmente fracturada yempezaron a aparecer corrientes fangosas, segui-das por procesos de tubificación y apertura de gale-rías, finalizando con el colapso de la coronación. Alas seis de la tarde el embalse se había vaciado. Elpico del vertido fue de 28.000 m3 s-1. Jansen (1988)concluyó que la causa de la rotura fue una inade-cuada protección a la erosión interna del núcleocentral impermeable.

3.3 Características geométricas de la rotura y deltiempo de colapso

Singh (1996) ha resumido las principales carac-terísticas geométricas de las roturas de presas detierra. En ellas se relacionan parámetros relativos alas dimensiones del embalse con las dimensionesde la zona dañada. En este marco se describe larotura de la balsa de Altorricón. La forma de lasroturas analizadas por Singh (1996) es general-mente trapezoidal, con una relación entre lasanchuras superior (Bs) e inferior (Bi) de 1,29(±0,18), con valores extremos desde 1,06 hasta1,74. En el caso de la balsa de Altorricón esta rela-ción es de 1,6 (Bs=16 m, Bi=10 m).

El cociente entre la anchura superior (Bs) y laprofundidad de la rotura (d) depende linealmentede la relación Hs/Hd, o altura relativa del dique dela balsa, donde Hs es igual a la profundidad mediarelativa de agua embalsada, o profundidad equiva-lente, calculada a partir de Hs= Vs

1/3, siendo Vs elvolumen de agua almacenado en la balsa, y Hd su

altura media (Figura 4a). En el caso de la balsa deSan Juan, Hs = Vs

1/3 = (600.000 m3)1/3 = 84 m, y portanto, el cociente Hs/Hd = 84/16= 5,25.

Existe asimismo una relación entre el cocientede la anchura y la profundidad de rotura, y elcociente entre la profundidad equivalente (Hs) y laaltura media del dique de la balsa (Hd). Esta rela-ción se expresa por la ecuación Bs/d = 0,40(Hs/Hd),siempre que Hd sea mayor que 8 m. En el caso deestudio ambos términos se aproximan claramenteaunque no llegan a confluir ya que Bs/d=1,6 mien-tras que 0,40(Hs/Hd)=2,1. La rotura de la balsa deAltorricón es más profunda y estrecha que la mediaresultante de aplicar las relaciones empíricas deSingh (1996).

El ángulo de los taludes resultantes de la roturade la balsa se sitúa en la mayoría de los casos ana-lizados por Singh (1996) entre 40º y 50º. En el casode la balsa de San Juan está entre 65º y 70º. El tiem-po de colapso se encuentra entre media hora y docehoras (Singh, 1996). Para la mayor parte de loscasos estudiados el tiempo de rotura fue menor detres horas. Con una probabilidad del 50% el tiempode rotura es menor de 90 minutos, tiempo estimadocomo probable para la balsa de San Juan a partir delas informaciones de los vecinos de la zona.

3.4 Hidrograma de la crecida

El caudal pico relativo se puede relacionar conla altura relativa de la balsa a partir de la expresiónQp/(gBa

2Hd3)1/2=1,25·10-2(Hs/Hd), donde Ba es la

anchura media de la rotura (Figura 4b). El cálculo

Figura 4. Relaciones empíricas entre (a) la geometría de la rotura (Hs/Hd) y la anchura máxima relativa (B/d) y (b) el pico de la des-carga (Q/(gBa

2Hd3)1/2) y geometría de la rotura o altura relativa del dique de la balsa (Hs/Hd) (Singh, 1996). En círculos (•) se indi-

can los valores de la balsa de San Juan, y en cuadros negros (■) los casos estudiados por Singh (1996).Figure 4. Empirical relations between (a) dam-break geometry (Hs/Hd) and maximum relative width (B/d) and, (b) peak of dischar -ge (Q/(gBa

2Hd3)1/2) and dam-break geometry or dam relative high (Hs/Hd) (Singh, 1996). Circles indicate the San Juan Dam break

values and black squares the cases studied by Singh (1996)

para la rotura de la balsa de San Juan en Altorricónofrece un caudal pico estimado de 172 m3 s-1.

Para poder reconstruir de manera más aproxima-da a la realidad la curva de recesión del hidrograma,se ha estimado el caudal en el canal lateral que soca-vó la base del dique de la balsa hacia el oeste y queel agua abrió una vez bloqueada la salida preferentepor materiales gruesos depositados en el ápex delcono de deyección (Figura 5). El caudal estimado esde 6,3 m3 s-1 calculado a partir del área de la sección(3,5 m2) y la velocidad media del flujo a partir de laecuación de Manning (1,8 m s- 1) (n=0,040).

A partir de estos datos y suponiendo un tiempoalrededor de 15 minutos desde la aparición de gale-rías importantes hasta el colapso de la balsa y elpico de la crecida, y una recesión máxima de 8

horas, según las observaciones de los vecinos de lazona, se ha realizado una aproximación al hidro-grama de la avenida de agua, al que se ha ajustadouna función exponencial negativa de agotamientode la reserva de agua (Figura 6). Un cambio deltiempo de retardo estimado, pasando por ejemplode 15 minutos a 30 o 60, no alteraría notablementela forma del hidrograma ni la orientación del traba-jo, que no es la de presentar un estudio exacto sinola de ofrecer datos aproximados y ordenes de mag-nitud del suceso ocurrido.

3.5 Consecuencias geomorfológicas

La acción conjunta de los materiales deslizadosal pie del dique de la balsa y de los flujos de agua


Figura 5. Socavación por flujo concentrado en la base del talud de la balsaFigure 5. Rill erosion at the dam-basement

0

40

80

120

160

200

0 2 4 6 8Tiempo (t en horas)

Q = 221,2 e-0,74 t

Figura 6. Reconstrucción del hidrograma teórico de la rotura y desguace de la balsa de San Juan.Figure 6. Hydrograph reconstruction after dam-break and water-wave release at the San Juan Dam


que escaparon de la balsa propició la creación deun complejo conjunto de formas deposicionales y,ocasionalmente, erosivas, extendidas delante de labase de la brecha. Este conjunto deposicional pre-senta la morfología de un cono de deyección prin-cipal integrado por una amalgama de materialesarrancados del substrato y del edificio de la balsa(Figura 7). El cono central se encuentra acompaña-do por otro cono lateral menor (al este), varioscanales erosivos que recorren la superficie del cono

y un canal lateral que socavó la base del muro de labalsa hacia el oeste (Figura 8).

El cono de deyección principal tiene una longi-tud máxima de unos 100 m y una altura máxima de0,70 m sobre los campos de cultivo circundantes.En la zona proximal del cono aparecen localizadoslos fragmentos de mayor tamaño. Se trata de blo-ques, algunos de calibre superior a 1 metro, defragmentos de las gravas pleistocenas y de las losasde hormigón que recubren el talud interno de la

Figura 7. Croquis de los depósitos del cono de deyección emplazado al pie de la rotura.Figure 7. Scheme of alluvial fan deposits at the dam-break footslope


balsa. Los grandes bloques se emplazaron sobre lasuperficie de los campos sin una aparente erosiónbasal, pues entre los bloques subsisten emplazadassin grandes daños las vides cultivadas en estoscampos, ligeramente peinadas por el aluvión.

En las zonas distales se encuentran acumulacio-nes de gravas, arenas y limos que forman barras lin-guoides, dunas, y a menor escala r i p p l e s. Una seriede canales radiales de diferente anchura, intersectala superficie del cono principal. En estos canales losmateriales del cono han sido erosionados y aparecela hierba que poblaba la superficie de los campos.Esta alfombra herbácea raramente se encuentra ero-sionada, salvo en el salto entre bancales.

El cono lateral menor se extiende al este delprincipal, tiene un radio de unos 40 m y una acu-mulación máxima de 0,3 m. Se ha formado por unflujo que siguiendo la base del muro hacia el estede la brecha ha alcanzado unos campos situados auna cota inferior. Lo integran bloques (en una pro-porción y tamaños muy inferiores a los del conoprincipal), gravas, arenas y limos, retrabajados dela margen del cono central y del canal de aproxi-mación. Los bloques se encuentran ocupando lazona central del abanico, por la superposición decanales de gravas y arenas en el ápex y amboscanales laterales. En las partes más externas sehace manifiesta una clara granoselección de lasgravas, arenas, limos y arcillas.

Las aguas que escaparon paralelas a la base deltalud externo en sentido oeste y se dirigieron haciael Arroyo de Orriols, socavaron profundamente labase del muro creando un canal de unos 4 m deanchura y 1 m de profundidad. Al llegar a una zonade mayor pendiente situada justo al lado de la balsa,el agua excavó surcos de profundidad superior a 1,5m sobre los materiales pleistocenos, alcanzando lasuperficie de contacto con las areniscas terciarias.

3.6. Balance de masas y flujo hiperconcentrado

La realización de un balance de sedimentos entreel material liberado por la rotura de la balsa y elmaterial depositado es un elemento importante paraapoyar la reconstrucción e interpretación hidrodiná-mica y geomorfológica del evento. El balance desedimento asume una igualdad teórica entre la can-tidad liberada por la rotura de la balsa (Sl) y el mate-rial depositado (Sd) en el exterior (Sl ≈ Sd). Se pre-

senta un balance de masas entre los materiales des-prendidos del dique de la balsa y los depositados enlos campos adyacentes, con el simple objetivo deaproximarnos a los órdenes de magnitud del fenó-meno. Las densidades de los distintos materiales delconjunto (substrato y dique de la balsa) se han obte-nido a partir de bibliografía especializada y consul-tas con expertos locales, ya que no se pudieron reco-ger muestras para obtener experimentalmente dichosvalores.

La cantidad de sedimento liberada por la roturase ha estimado alrededor de 3.350 toneladas, a par-tir del volumen del agujero y las características delos dos tipos de materiales: a) depósitos cuaterna-rios, con cantos, gravas y limos pleistocenos:L·Ba·d·ρs = 19,5 m · 13,5 m · 3 m · 1,65 t m-3, sien-do L la longitud media de la base del trapecio, Ba laanchura media, d la altura media en el centro de larotura, y ρs la densidad media para este tipo dedepósitos (Giménez Salas y De Justo, 1975;Rodríguez, R. comunicación personal) y, b) deconstrucción del dique de la balsa: L·Ba·d·ρs’ = 11,5m · 13,5 m · 7 m · 1,88 t m-3, siendo ρs’ la densidadde la arcilla compactada en este tipo de diques(Giménez Salas y De Justo, 1975).

Para la estimación del material depositado sehan utilizado dos tipos de datos: a) el número debloques con un eje b superior a 600 mm deposita-dos en el cono de deyección principal al pie de larotura y b) la profundidad media del material depo-sitado también en el cono de deyección principal,sin tener en cuenta las zonas interlobulares delcono erosionadas por el agua menos cargada desedimentos en una fase posterior de la avenida yanterior al bloqueo del ápex.

a) Se han contabilizado 52 bloques con un ejeb superior a 1.200 mm y 130 bloques con uneje b entre 600 y 1.200 mm. Asumiendo unaforma esférica generalizada (V= 4 / 3πr3) ,excepto para alguno de los bloques mayoresque presenta una forma subangular, el volu-men total para la primera clase de materiales de 90 m3 y para la segunda clase de 55m3, siendo el volumen total de materialgrueso desalojado y depositado en el conode 140 m3 y su masa de 250 t, a partir de unadensidad de 1,75 t m-3, correspondiente a lamedia entre la densidad de los materiales

cuaternarios y de la arcilla compactada deldique. Existe una gradación del calibre delos materiales desde el ápex hasta los lími-tes del cono (Figura 8). La mayor distanciarecorrida por bloques submétricos es supe-rior a 60 m, mientras que los bloques mayo-res de 1.200 mm están depositados en unradio no superior a 30 m. Una parte impor-tante de los bloques de mayor tamaño pro-vienen del nivel de gravas cuaternario,encontrándose también en el depósito blo-ques de arcillas compactadas y piezas dehormigón procedentes del recubrimientointerno de la balsa.

b ) Para la estimación de la sedimentación gene-ral en el cono de deyección se ha asumidoque éste presenta una forma semicircular conun radio medio de 50 m, por lo que su super-ficie total es aproximadamente de 8.000 m2.Esta superficie se ha corregido mediante unfactor de 0,5 para descontar las zonas erosio-nadas (canales o zonas interlobulares) en lafase de erosión por agua limpia, quedando lasuperficie de acumulación real en 4.000 m2.El grueso de la deposición de material fino-medio (de arcilla hasta gravas gruesas y can-tos) medida en el campo tiene un valor mediode 0,4 m, por lo que el volumen del sedi-mento actual en el cono esta alrededor de1.600 m3, lo que significa 2.400 t a partir deuna densidad de 1,50 t m- 3, habitualmenteatribuida a sedimentos recientes no compac-tados (Julien, 1998).

El sedimento total depositado en el cono es, porlo tanto, de 2.650 t lo que supone el 80% del sedi-mento liberado durante la rotura. El resto de sedi-mento (700 t) fue probablemente depositado en elcono en una primera instancia y posteriormente lava-do en las zonas preferenciales interlobulares de ero-sión, y transportado por los campos de cultivo y losbancales hasta centenares de metros (Figura 9). Se haestimado asimismo la erosión ocasionada por el flujolateral que socavó la base del talud de la balsa (mate-riales cuaternarios y materiales de relleno compacta-dos) en fases posteriores de la crecida en aproxima-damente 385 t de sedimentos, a partir de la longitud(ca. 60 m) y la sección del reguero (3,5 m2), y unadensidad media de los materiales de 1,75 t m- 3.

¿Cómo pudieron ser transportados bloques dehasta 2 m de eje b y más de 10 toneladas alguna dece-nas de metros en un terreno prácticamente llano?

En primer lugar hay que tener en cuenta elempuje del agua durante algunos minutos alrede-dor del pico de la avenida. A partir de la relación deBaker y Ritter (1975) para el cálculo de la compe-tencia del flujo en paleocrecidas (Dmax = 65 τo

0,54,en la que τo es la tensión de corte media del fluido),se puede estimar que la competencia instantánea deun supuesto vertido de agua limpia hubiera sola-mente alcanzado hasta bloques de 0,5 m. La ten-sión de corte (τo= ρw·g·s·d) en este hipotético esce-nario ha sido calculada asumiendo un terreno casillano con una pendiente inferior al 0,1% (s), unaconcentración media de sedimento inferior al 5%(ρw <1050 kg m-3), y una profundidad media delflujo de 5 m (d).


Figura 9. Balance de sedimento con relación a las formas resultantes (la erosión de la base del talud no se computa en el balance yaque los materiales socavados y transportados no proceden de la rotura de la balsa)Figure 9. Sediment budget in relation to erosional and depositional forms after dam-break (erosion at dam-slope basement is notcomputed because eroded sediments did not come from the dam-break hole)


La razón principal para el transporte de los gran-des bloques fue, sin duda, la formación instantáneade un flujo hiperconcentrado. Este tipo de fluido separece mucho a los flujos de agua en canales abier-tos, aunque difiere esencialmente porque en el flui-do circundante se produce un aumento del empujehacia arriba. Este hecho, unido a una gran viscosi-dad, le permite mantener en semi-suspensión grannúmero de bloques durante cierto tiempo y distan-cia. En el caso de la balsa de San Juan planteamoslas siguientes premisas como base de las hipotésispara calcular la densidad media del fluido liberadode la balsa durante los momentos previos a la fasede deposición en el cono de deyección:

1. Un caudal medio entre 100 y 125 m3 s-1 sos-tenido durante 60 segundos alrededor delpico de la avenida estimado en 172 m3 s-1.

2. El colapso e incorporación al fluido de entreel 60 y el 80% del material de la rotura, queasumiendo una densidad media de 1,75 t m-

3, supondría aproximadamente entre 2000 y2700 toneladas de sedimento liberado.

Estas premisas permiten proponer cuatro posi-bles escenarios para el cálculo de la densidad mediadel fluido, y establecerla en 1,35 t m- 3, con un míni-mo en 1,26 t m- 3 y un máximo en 1,45 t m- 3, tal ycomo se detalla a continuación:

Estos valores se sitúan en la categoría de flujohiperconcentrado descrito por Costa (1984). Estaalta densidad fue casi instantánea pero suficientepara transportar numerosos bloques métricos ysubmétricos algunas decenas de metros. El fenó-meno fue probablemente favorecido por una faseprevia de movimientos en masa producidos aldesestabilizarse el dique de la balsa.

3.7 Secuencia hidrodinámica y geomorfológicadesde la rotura

A partir de las observaciones de campo de larotura y de las formas deposicionales y erosivasocasionadas y de las estimaciones hidrológicas yde balance de sedimento se propone una secuenciainterpretativa del suceso en diversas fases tempora-les (tabla 1). Esta secuencia no pretende, en ningúncaso, ser explicativa, ya que para ello debería estarapoyada en ensayos geotécnicos de los materialesde la rotura, sino que se presenta con una idea esen-cialmente descriptiva del fenómeno:

a ) Fase inicial o de preparación (apartado3.2). Se inicia con la filtración del agua dela balsa a nivel de los materiales permea-bles cuaternarios, sigue con la creación deflujo preferente y jerarquizado concentra-do y acaba con fenómenos de tubificación,erosión interna de la base del dique y pos-terior rotura y colapso del mismo. Esta esla hipótesis más plausible para los autores,ya que si la desestabilización del dique dela balsa y su posterior rotura se hubieran

caudal pico mediodensidad

a p o rte de sedimento 100 m3 s- 1 125 m3 s- 1 media

2.000 t 1,33 t m- 3 1,26 t m- 3

2.700 t 1,45 t m- 3 1,36 t m- 3 1,35 t m- 3

Fase inicial Fase de rotura Fase de «alta densidad» Fase de «agua limpia»

Duración estimada Días/Horas Minutos/segundos Minutos Horas

Fenómenos hidro-sedimentológicos Escorrentía hipodérmica Flujo hiperconcentrado Flujo menos denso Caudal de agua

Fenómenos geomorfológicos • Tubificación en • Colapso de materiales • Desarrollo de las partes • Formación del cono depósitos cuaternarios • Inicio de la deposición centrales y distales secundario

• Erosión interna del dique del cono principal del cono· • Erosión de la base de • Formación de canales la balsa

entre los lóbulos • Formación del cono de regueros distaless

Tabla 1. Secuencia hidrodinámica y geomorfológica desde la rotura de la balsa de San JuanTable 1. Hydrodynamic and geomorphological sequence following the San Juan Dam break

producido por los materiales superpuestoscompactados y, teniendo en cuenta la pocaduración del desagüe, la brecha sobre losmateriales duros cuaternarios hubiera sidomucho menos profunda que la observada(3 m). Una mayor profundidad del nivel debase en el inicio de los procesos descritosestaría de acuerdo con las hipótesisexpuestas.

b) Fase de rotura del dique y de flujo hiper -concentrado. Se iniciaría, probablemente,con el colapso de los materiales cuaterna-rios que comporta simultáneamente la caídade los materiales superpuestos en la cons-trucción. El empuje del agua arrastra elmaterial desestabilizado, creándose un flujohiperconcentrado que fluye por los camposvecinos al pie del talud. En esta fase setransportan los grandes bloques de la for-mación cuaternaria desde algunas decenasde metros hasta casi un centenar. Al mismotiempo se añaden al transporte los fragmen-tos de tierra y las losas de hormigón delrevestimiento interior del vaso. La disposi-ción de este sistema es la de un cono dedeyección (Figura 8). Los viñedos han que-dado parcialmente enterrados en materialesmás finos entre los grandes bloques arras-trados.

c) Fase intermedia de alta densidad. Se tratade una fase de lavado del cono con aguasmenos densas. El agua ya ha arrastrado lamayor parte de los materiales de la roturapero todavía tiene altura suficiente para cir-cular por encima del cono. Durante este pro-ceso el flujo redistribuye sedimentos másfinos y modela unos canales entre los blo-ques más grandes (Figura 8). El final de estafase viene marcado por la pérdida de ener-gía del flujo por disminución de la altura deagua en la balsa, y por la obstrucción delápex del cono por la deposición del materialgrueso erosionado.

d) Fase final o de erosión por agua limpia. Elobstáculo producido por los materialesdepositados en la salida de la rotura de labalsa provoca la distribución de las aguaslimpias, que continúan vertiéndose hacia losdos laterales del cono principal siguiendo el

contorno de la base del talud. El flujoizquierdo erosiona levemente los materialesde la base del talud y forma un pequeñocono de deyección con materiales másfinos: gravas, arenas y finos, sobre uncampo de cultivo (Figura 8). El ramal de laderecha encuentra más pendiente y erosionafuertemente la base del talud (Figura 5) yforma regueros de profundidad métrica a lolargo de un camino lateral, antes de trasla-dar los materiales erosionados a otro campode cultivo situado a una cota inferior de 10m al pie de la vertiente meridional de labalsa.

4. Conclusiones

Las principales conclusiones que se derivan deeste estudio se resumen a continuación:

1. Las observaciones de la zona de rotura delpantano de riego de San Juan (Altorricón) yde las formas deposicionales y erosivas aso-ciadas a la misma, han permitido la recons-trucción hidrodinámica y sedimentaria delevento, separando cuatro fases bien diferen-ciadas, correspondientes a otros tantos flu-jos de características contrastadas: a) faseinicial de tubificación y erosión interna deltalud, b) fase de rotura y de flujo hipercon-centrado, c) fase intermedia de flujo de altadensidad, y d) fase final o de erosión poragua limpia.

2. El análisis de la brecha abierta en el muro yde los depósitos al pie de la misma, median-te técnicas granulométricas y geomorfológi-cas de campo ha posibilitado la elaboracióndel balance de sedimento movilizado, cerra-do al 80% entre el área fuente (3.350 t) y elmaterial depositado en forma de cono dedeyección frente a la brecha (2.650 t).

3. La densidad media del flujo en los momen-tos posteriores a la rotura del dique de labalsa alcanzó, probablemente, valores pró-ximos a 1,35 t m-3, situándose en la catego-ría de flujo hiperconcentrado.

4 . La rotura de la balsa de Altorricón es másprofunda y estrecha que la media resultan-



te de aplicar las relaciones geométricasempíricas de Singh (1996). Esta evidenciase ve reforzada por el elevado ángulo delos taludes resultantes de la rotura (65°-7 0 º ) .

5. El hidrograma de vaciado a partir de la rotu-ra de la balsa ofrece un caudal pico de 172m3 s-1, estimado a partir de las relacioneshidrológicas empíricas de Singh (1996), decálculos sobre una sección y pendienteconocidas, y asignando un tiempo de rece-sión de seis horas.

6 . Los procesos inductores de la rotura y elcolapso del dique de la balsa son las fugashipodérmicas de las aguas de la balsa rela-cionadas, muy probablemente, con unsellado incorrecto del fondo del vaso de labalsa y con un emplazamiento inadecuadosobre materiales cuaternarios altamentepermeables.

Agradecimientos

Los autores expresan su agradecimiento a Jose M. GarcíaRuíz y a otro revisor anónimo por los comentarios y correc-ciones que han mejorado el trabajo. Asimismo, agradecen labibliografía específica sobre rotura de presas facilitada porRaúl López y los datos sobre densidad de sedimentos propor-cionada por Rafael Rodríguez, ambos de la Universitat deL l e i d a .

Referencias bibliográficas

Baker,V.R. y Ritter, D.F. (1975). Competence of rivers to trans-port coarse bedload material. Bulletin of the GeologicalSociety of America, 86, 975-978.

Calvet, J. (1980). Relaciones entre la evolución geomorfológicacuaternaria de la Depresión Central Catalana (Segarra y elPla d’Urgell) y del valle del Segre. Fundación J. March,Madrid, Inédito, 102 pp.

Costa, J.E. (1984). Physical geomorphology of debris flow. En:Development and applications of Geomorphology (J.E. Costay P.J. Fliescher, eds.). Springer-Verlag, Berlin, 268-317.

Giménez Salas, J. & De Justo, J.L. (1975): Geotecnia y cimientos.P ropiedades de los suelos y de las ro c a s. Madrid, Rueda, 466 pp.

Jansen, R.B. (1988): Advanced dam engineering for design,construction and rehabilitation. New York, Van NostrandReinhold, 811 pp.

Jerez, F. y Gil, C. (1998). Mapa Geológico de España escala1:50.000. 2ª Serie, Almacelles (358). IGME, Serv. Pub. MºIndustria, Madrid.

Julien, P.Y. (1998): Erosion and sedimentation. Cambridge,Cambridge University Press, 280 pp.

Sancho Marcén, C. (1991): Geomorfología de la Cuenca Bajadel río Cinca . Instituto de Estudios A l t o a r a g o n e s e s ,Diputación de Huesca, Serie de Investigación Científica, 161pp. (microfichas) y 14 mapas.

Singh, V.P. (1996). Dam Break Modelling Technology . KluwerAcademic Publishers, Dordrecht, 242 pp.

Vischer, D.L & Hager, W.H. (1999). Dam hydraulics. JohnWiley and Sons, Chichester, 316 pp.

Enviado el 19 de mayo de 2001Aceptado el 15 de octubre de 2001

revista interpretaciÓn hidrodinÁmica y...

Documents