Investigación de las características de deformación de sistemas de compuerta y presas de tierra‑roca bajo condiciones de sobrecarga profunda

Por qué importa la forma de una presa

A medida que los países aprovechan más la energía hidroeléctrica, los ingenieros construyen presas en terrenos que están lejos de ser sencillos. En el oeste de China, por ejemplo, los ríos a menudo fluyen sobre capas muy gruesas de suelo y roca suelta antes de alcanzar el lecho rocoso sólido. En estos entornos, los proyectos modernos combinan compuertas rígidas de hormigón con diques de tierra‑roca más flexibles en un único sistema de presa. Este estudio plantea una pregunta aparentemente simple con grandes implicaciones para la seguridad: ¿cómo se deforma en realidad en tres dimensiones una presa mixta a medida que se construye y se llena de agua, y dónde están los puntos débiles ocultos?

Construyendo un gemelo digital de una presa compleja

Los investigadores empezaron creando un modelo informático tridimensional detallado de un proyecto hidroeléctrico real que une una presa de compuerta de hormigón con un terraplén de relleno de roca con cara de hormigón. El modelo incluye fielmente los estribos y cámaras de la compuerta, el cuerpo de relleno de roca, muros de cortafuegos subterráneos y continuos, muros de contención de gravedad y la gruesa y desigual manta de suelo y roca —conocida como sobrecarga profunda— que descansa sobre el lecho rocoso inferior. En lugar de usar una malla numérica uniforme y gruesa, adoptaron una malla «octree» que refina automáticamente la cuadrícula donde la geometría es compleja o se esperan concentraciones de esfuerzo. Los elementos estándar se resuelven con un método clásico de elementos finitos, mientras que los elementos de forma irregular cerca de transiciones geométricas se abordan con una técnica complementaria llamada método de elementos finitos de contorno escalado. Este enfoque acoplado les permite capturar detalles estructurales finos sin desbordar los recursos computacionales.

Siguiendo la presa desde la construcción hasta el embalse lleno

Para imitar la realidad, el equipo no se limitó a aplicar la presión del agua sobre una presa terminada. Simularon 32 etapas separadas: la tensión inicial en el terreno, la construcción por fases de muros de gravedad, muros de cortafuegos, la presa de compuerta y el terraplén de relleno de roca, luego la colocación de losas de revestimiento y otros componentes, y finalmente la subida gradual del embalse desde el lecho del río hasta el nivel normal de explotación. Cada paso permitió que el terreno y las estructuras se asentarán bajo su propio peso antes de añadir la siguiente carga. Las partes de hormigón se trataron como elásticas, mientras que los suelos y el relleno de roca siguieron un modelo avanzado de plasticidad calibrado con ensayos de laboratorio. Esta configuración permitió que el modelo reprodujera no solo cuánto se asienta la presa, sino también cómo el terreno circundante cede y redistribuye esfuerzos a medida que las cargas evolucionan en el tiempo.

Dónde la presa se asienta y dónde se estira

Las simulaciones muestran que el sistema de la presa no se desplaza como un bloque sólido único. La parte más flexible de tierra‑roca se asienta aproximadamente un 28 por ciento más que la sección más rígida de la compuerta de hormigón. Esta diferencia está impulsada por el mayor volumen y la menor rigidez del relleno de roca, así como por una capa de sobrecarga más gruesa y más compresible debajo de ella. Como resultado, las juntas entre cámaras de compuerta cerca de las riberas experimentan movimientos de corte y apertura mayores que los de la región central, aunque los desplazamientos previstos se mantienen dentro de los límites de diseño actuales. Otro hallazgo clave concierne al muro de cortafuegos vertical, que queda suspendido en la sobrecarga en lugar de anclarse al lecho rocoso. El asentamiento desigual —mayor en el centro del cauce que cerca de las orillas— hace que el muro se doble, creando una zona de tensión significativa en tracción en la parte superior de la sección de la margen derecha. De manera similar, los muros continuos subterráneos bajo las estructuras de contención por gravedad muestran asentamiento y rotación desiguales, con desarrollo de tracción tanto en sus fondos (donde la deformación vertical es mayor) como cerca de sus coronas, donde los muros quedan trabados con el hormigón suprayacente.

Convertir cálculos en diseños más seguros

Más allá de cartografiar cómo se deforma esta presa en particular, el trabajo destaca ubicaciones concretas que merecen atención adicional en el diseño y la construcción. Entre ellas se cuentan las juntas entre cámaras de compuerta, las coronas de los muros de cortafuegos donde la flexión puede inducir grietas, y las bases y coronas de los muros continuos subterráneos donde puede acumularse tracción. Dado que los asentamientos previstos son menores que los observados en algunas presas comparables, el estudio también ayuda a situar el comportamiento del proyecto en contexto. En un sentido más amplio, los investigadores muestran que su método numérico acoplado basado en octree puede manejar sistemas grandes e irregulares de presa y cimiento con comportamiento fuertemente no lineal del suelo. Sostienen que este marco puede guiar la futura optimización de zonas de refuerzo y esquemas de construcción, y puede ampliarse para simular cómo tales presas podrían responder a terremotos, licuefacción de capas débiles y deterioro a largo plazo del hormigón—contribuyendo en última instancia a un desarrollo hidroeléctrico más seguro en cimientos desafiantes.

Lo que esto significa para las presas del futuro

Para los no especialistas, el mensaje principal es que la seguridad de una presa moderna depende tanto del terreno oculto y los muros enterrados bajo la línea de agua como de la cresta de hormigón visible. Al modelar con cuidado cómo cada parte de una presa mixta de hormigón y tierra‑roca se deforma en conjunto, este estudio señala dónde es más probable que comiencen grietas o movimientos excesivos. El enfoque ofrece a los ingenieros una poderosa “radiografía” de sistemas de presas complejos construidos sobre cimientos profundos y blandos, ayudándoles a reforzar zonas vulnerables antes de que surjan problemas y apoyando una energía hidroeléctrica más fiable y de bajo impacto en terrenos difíciles.

Cita: Liu, B., Wang, F., Zou, D. et al. Investigation of deformation characteristics of gate and earth–rock dam systems under deep overburden conditions. Sci Rep 16, 13464 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44128-w

Palabras clave: presa de tierra‑roca, sobrecarga profunda, modelado por elementos finitos, deformación del muro de cortafuegos, seguridad hidroeléctrica