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Vulnerabilidad ssmica de lossistemas de abastecimientode agua

Este captulo describe los componentes del sistema de agua, su vulnerabilidad frentea sismos y las medidas de mitigacin. Se divide en cuatro secciones:

fuentes plantas de tratamiento y estaciones de bombeo tuberas tanques de almacenamiento y reservorios.

Estas cuatros secciones se dividen a su vez en tipos de componentes del sistemadentro de su grupo respectivo. Se describe cada componente del sistema incluyendo el daossmico y las alternativas de mitigacin.

Fuentes

Esta seccin cubre fuentes de abastecimiento de agua, incluidas cuencashidrogrficas, represas y pozos.

Cuencas hidrogrficasDescripcin. Las cuencas hidrogrficas son reas donde se recolecta el agua

superficial generada por la lluvia y el deshielo. Generalmente alimentan a un arroyo naturalo a un ro. El agua es luego retenida en una presa o desviada para su uso inmediato.

Dao ssmico y alternativas de mitigacin. Los deslizamientos puedenincrementar en gran medida la turbiedad en las cuencas hidrogrficas cuando los terrenos,que usualmente son estabilizados con vegetacin, se encuentran sin proteccin y sonafectados por la erosin. Puede ser posible estabilizar las reas vulnerables a losdeslizamientos, pero ello podra ser una tarea muy costosa; adems, en una situacin deemergencia, el acceso a las reas de deslizamientos puede ser muy difcil.

Las cuencas hidrogrficas tambin estn expuestas a la contaminacin pormateriales peligrosos. Las tuberas que transportan productos del petrleo algunas vecesatraviesan cuencas hidrogrficas y pueden romperse durante un sismo. Las carreteras o vasfrreas tambin pueden atravesar cuencas hidrogrficas. Los camiones o camiones cisternapueden transportar sustancias qumicas peligrosas que podran derramarse, ya sea duranteeventos ssmicos o no ssmicos. La manera ms eficaz de controlar la descarga de

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materiales peligrosos es mantenerlos fuera de la cuenca hidrogrfica. El monitoreo cercanoy los planes de respuesta a emergencias son cruciales en caso de derrames.

Si no se puede utilizar el agua de una cuenca hidrogrfica, la flexibilidad operativadel sistema se convierte en un factor importante. Se pueden usar las fuentes o bocatomasalternas (aguas arriba de la fuente de contaminacin). Por ejemplo, la ciudad de Everett,Washington, puede extraer agua directamente del ro, o tomarla de un gran embalse fuerade su fuente. La ciudad de Limn en Costa Rica reactiv su suministro de aguassubterrneas luego de que el terremoto de 1991 incrementar la turbiedad en la cuencahidrogrfica (ver figura 3-1).

La flexibilidad en eltratamiento puede permitir elprocesamiento de agua crudams turbia que lo habitual. Si seopera la planta con tasas decarga menores o si se aadenmayores dosis de coagulantes, ose emplean otros reactivos, laplanta puede producir aguabebible de calidad aceptable. Sibien estas alternativas puedenser ms costosas que laoperacin normal, ayudarn alproveedor a superar el desastre.

Adems de Costa Rica,los deslizamientos producidospor causas diferentes a sismoshan causado situaciones deemergencia tanto en la cuencahidrogrfica Bull Run enPortland, Oregon, como en lacuenca de Centralia enWashington. Los planes derespuesta frente a emergenciasfueron cruciales en ambassituaciones. Las fuentes alternasde agua hubieran sidobeneficiosas en ambos casos.

Represas y bocatomasDescripcin. Las represas que contiene agua para sistemas de abastecimiento

generalmente son represas de tierra, de enrocado o de concreto con compuertas, vertederos,

Fuente: D.B. BallantyneFigura 3-1 La cuenca hidrogrfica que suministraba agua ala planta de tratamiento de Limn, Costa Rica, fue afectadapor un fuerte deslizamiento, lo cual increment laturbiedad a 2400 NTU en el Ro Banano.

Figura 3-2 Torre de captacin que colaps en San Fernando,California

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conductos, tneles y estructuras de captacin. Las represas de tierra incluyen un ncleoimpermeable (generalmente, material arcilloso), zonas de transicin, drenajes, y filtros dearena adyacentes al ncleo. Con frecuencia, se inyecta concreto lquido debajo del ncleoen el material de cimentacin y en los empotramientos para prevenir que el agua penetre atravs de las grietas y fisuras en el lecho rocoso, o fluya a travs de suelos naturalespermeables. Por lo general, las represas de enrocado tienen revestimientos de concreto paraprevenir la penetracin de agua y son de dos tipos: de gravedad y en arco.

Las obras de captacin asociadas con los reservorios de almacenamientogeneralmente son obras de tipo torre que son vulnerables a los efectos de las fuerzas deinercia, al asentamiento y al deslizamiento en las partes inferiores de los reservorios (verfigura 3-2). En un caso, el anlisis preliminar de un reservorio de principios de los sesentademostr que haba diseos que no cumplan con las normas actuales. El volcamiento deestas torres hace que el sedimento ms grueso ingrese al sistema de distribucin, lo cualtapona las tuberas y causa daos serios a las vlvulas, soportes de bombas y sellos.Tambin puede prevenir el control adecuado del caudal proveniente del reservorio.

Dao ssmico y alternativas de mitigacin. La mayora de represas de tierramecnicamente compactadas han respondido bien en casos de sismos como lo han hecholas represas de tierra construidas predominantemente con suelos arcillosos.

Las represas de tierra que han sufrido fallas en terremotos pasados incluyen: represas construidas de terraplenes de sedimento hidrulico usando material

saturado, no cohesivo, de grano fino y mal compactado represas construidas sobre depsitos naturales no cohesivos que no son tan

densos como los terraplenes represas con terraplenes inusualmente empinados.

Las fallas del suelo en elterrapln de las represas puedenincluir agrietamiento,asentamiento, licuefaccin odesprendimientos (ver figura 3-3).

Cuando se abren grietas enel terrapln o en los cimientos, lastuberas pueden resultar afectadassi las grietas permanecen abiertas.

La licuefaccin puedeocurrir en zonas saturadas conmateriales no cohesivos que seencuentran sueltos omarginalmente compactados, talescomo terraplenes de sedimentohidrulico.

Los vertederos y los conductos de salida en todos los tipos de represas pueden tenerobstrucciones, compuertas y montacargas daados, o revestimientos mal colocados.

Las represas se deben inspeccionar inmediatamente despus del sismo y se debenimplementar procedimientos de deteccin de fallas en caso haya incrementado el caudal ohaya caudal nuevo aguas abajo. De otro modo, se debe realizar una inspeccin visualgeneral de todo el sitio. Si ha ocurrido algn dao, observe la naturaleza, ubicacin y

Fuente: William Gates.Figura 3-3 Represa del Reservorio Lower Van Norman (Calif.)que estuvo a punto de colapsar.

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magnitud del dao, tales como deslizamientos, derrumbes, asentamiento y agua infiltrada, yreporte los resultados inmediatamente. Luego, con ayuda del personal, realice unainspeccin minuciosa de lo siguiente:

grietas, asentamiento o agua infiltrada en las caras de la represa desplazamientos, grietas o nuevos brotes de agua en los estribos incremento del caudal en los lechos de infiltracin desplazamiento o deformacin estructural en las estructuras de los

vertederos y compuertas deslizamientos en el reservorio grietas, desmoronamientos o desplazamientos en las estructuras de concreto

complementarias plantas de energa suministro de electricidad de emergencia.

Para mitigar los daos en las represas de tierra, utilice un ncleo amplio hecho de unmaterial resistente al agrietamiento. Se pueden aadir zonas para detener el avance de lasgrietas en las represas existentes. Proporcione una mayor altura entre el nivel de agua y elborde de la represa a fin de disminuir el nivel operativo al mximo. Reduzca las pendientesde los taludes o aada bermas o contrafuertes para minimizar los desprendimientos.

El material licuable se puede excavar y reemplazar para mitigar el agrietamientosuperficial. La densificacin o el fortalecimiento in situ se pueden usar para reducir laamenaza de la licuefaccin. Otra alternativa es aplicar inyecciones de concreto lquido pararetardar el movimiento de agua o el drenaje por los cimientos.

El diseo actual de las represas de tierra generalmente usa anlisis dinmicos paratodas las represas excepto las pequeas. Estos anlisis se usan para determinar el potencialde licuefaccin o deformacin de los terraplenes o cimientos, y para estimar el grado deasentamiento de los terraplenes. Se deben realizar investigaciones para garantizar cimientosslidos.

Para todos los tipos de represas, los deslizamientos provocados por sismos puedenbloquear las salidas de agua o los vertederos, o causar ondas que sobrepasen la represa ycausen erosin. Los deslizamientos tambin pueden deteriorar la calidad del agua.

Los cimientos de suelo y roca pueden ser daados por la ruptura de fallas, lo cualpuede afectar la continuidad o integridad de los componentes internos (por ejemplo,drenajes y zonas impermeables) y de descarga de agua (por ejemplo, vertederos y tneles).Un sismlogo o ingeniero geotcnico debe realizar una investigacin minuciosa paraidentificar las estructuras de las fallas y su actividad.

Las represas de enrocado han respondido bien y han soportado el dao a materialescerca de la corona de la represa. El asentamiento de las represas de enrocado tambin esuna posibilidad.

Las represas de concreto tambin han respondido bien y no han resultado muydaadas. El agrietamiento de las represas y las fallas en los cimientos son posibles. Eldiseo sismorresistente de las represas de concreto incluye la exploracin y tratamientominuciosos de los cimientos, y la seleccin de una buena configuracin geomtrica.

Los anlisis dinmicos similares a aquellos usados para represas de tierra pueden serutilizados para revisar los diseos y determinar los esfuerzos y el potencial deagrietamiento de las represas y de los accesorios de las represas. Las represas de concreto

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se pueden estabilizar usando contrafuertes, drenajes o reduciendo el almacenamiento delreservorio.

PozosDescripcin. Las aguas subterrneas se extraen usando pozos o galeras de

infiltracin. Generalmente, un sistema de pozos est compuesto de siete elementos: acufero tubera de revestimiento y tamiz del pozo bomba y motor suministro de energa equipo y controles elctricos tuberas de conexin, vlvulas y accesorios estructura de la caseta del pozo.

El sistema de pozos puede o no estar ubicado en la caseta del pozo. Los ltimoscuatro se discutirn ms adelante en este captulo bajo Plantas de tratamiento y estacionesde bombeo.

Por lo general, los pozos constan de tuberas de revestimiento de acero que penetranlos acuferos de aguas subterrneas. Las tuberas de revestimiento modernas se instalan consellos de pozos hechos de una mezcla aguada de concreto alrededor de su periferia paraevitar que el agua superficial drene hacia el espacio anular entre la tubera de revestimientoy el suelo. Los pozos ms antiguos algunas veces no han sido sellados. Las tuberas derevestimiento estn acondicionadas con tamices en la formacin acufera para permitir queel agua ingrese a la tubera de revestimiento. Algunos pozos ms antiguos tienen ranuras enla tubera de revestimiento en lugar de usar tamices.

Generalmente, los pozos municipales usan bombas de turbina vertical instaladas pordebajo del nivel de agua. Las bombas pueden ser operadas por motores sumergiblessujetados directamente a la parte inferior de la bomba, o por ejes de transmisin conectadosal motor en el cabezal del pozo. Las bombas para pozos profundos tambin pueden usarpropulsores verticales y pueden ser activadas por motores de combustin interna.

Dao ssmico yalternativas de mitigacin. Lageohidrologa de los acuferospuede cambiar la capacidad deproduccin de los pozos a causa deun movimiento ssmico. Losacuferos poco profundos parecenestar ms afectados que losacuferos ms profundos, comoocurri en los pozos privados en lasmontaas de Santa Cruz en elterremoto de Loma Prieta. Losacuferos pueden ser contaminadospor aguas negras no tratadasprovenientes de los alcantarilladoscercanos (como fue el caso en el

Fuente: M.J. O`Rourke.Figura 3-4 El asentamiento alrededor de la tubera derevestimiento del pozo produjo fugas en la tubera dedescarga del pozo durante el terremoto de Landers,California.

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terremoto de San Fernando de 1971), efluentes de tanques spticos, o materiales peligrososque llegan al acufero a travs de las capas permeables o por una tubera de revestimientodel pozo no sellada.

La geohidrologa de los acuferos es casi imposible de controlar. Se recomiendausar fuentes de agua alternativas. La contaminacin de los acuferos se puede controlar alproporcionar sellos del pozo e implementar un programa de proteccin de bocas de pozo.Los sistemas spticos no deben ser ubicados cerca de los pozos. El diseo de losalcantarillados cercanos debe ser sismorresistente.

Las tuberas de revestimiento y las bombas expuestas a la propagacin de la ondassmica se movern con los suelos que se encuentran alrededor del pozo. Este movimientopuede causar la rotura o desconexin de bombas, motores y lneas de descarga que notienen acoplamientos flexibles (ver figura 3-4).Los suelos alrededor del pozo puedenconsolidarse y asentarse, lo cual hara extenderseel encamisado del pozo por sobre el nivel delsuelo. Las tuberas de conexin pueden romperse.

Las bombas deben ser hechas de acero enlugar de hierro fundido a fin de que puedanabsorber la energa de la vibracin. La tubera dedescarga de la bomba (en la parte superior delpozo) tambin debe ser de acero en lugar dehierro fundido. Se debe proporcionar ciertaflexibilidad entre la tubera de revestimiento y lalosa de la construccin que la rodea, y entre latubera de revestimiento y las tuberas deconexin.

La tubera de revestimiento, la tubera dedescarga de la bomba y el eje de transmisin sepueden doblar, aplastar o romper debido aldesplazamiento del terreno o la vibracin (verfigura 3-5). Las bombas sumergibles no dependendel eje de transmisin y por tanto, son msconfiables. Si la tubera de revestimiento sedobla, ser imposible retirar la bomba, sinimportar el tipo que sea.

Evite reas donde podra ocurrir el flujo lateral, tales como reas vulnerables a lalicuefaccin en una pendiente o cerca de una superficie libre. Si no se pueden evitar,estabilice el rea o refuerce la tubera de revestimiento del pozo para que resista eldesplazamiento lateral del terreno. El uso de tuberas de revestimiento pesadas o tuberasdobles a la profundidad donde se espera que se produzca la licuefaccin, puede limitar eldao ya que permitira el movimiento de la tubera exterior, pero no de la tubera interior,donde se encuentra instalado el equipo de bombeo.

El agua de pozo se puede volver turbia, pero generalmente slo por varias horas omenos. Los pozos pueden comenzar a emanar o bombear arena. Ello generalmente ocurreen pozos con tuberas de revestimiento ranuradas y sin tamices adecuadamente diseados.El enarenado puede daar la tubera o quemar el motor. Es importante usar tamices de

Fuente: D.B. BallantyneFigura 3-5 La tubera de revestimiento delpozo que se dobl 15 de la vertical comoresultado del flujo lateral en Dagupan,Filipinas.

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pozos en lugar de tuberas de revestimiento ranuradas, una prctica comn en la mayora depozos municipales en los Estados Unidos.

Los pozos tambin se pueden contaminar cuando se inunda la boca de pozo. Elloocurri en Nicaragua en 1992 cuando un tsunami inund pozos con agua contaminada delas letrinas.

Plantas de tratamiento y estaciones de bombeo

Esta seccin incluye plantas de tratamiento e instalaciones de bombeo, as como loscomponentes de las instalaciones de pozos similares a las estaciones de bombeo. Sedescribe cada tipo de instalacin y se divide en los siguientes grupos de componentes:

tanques y estructuras de tratamiento equipos y tuberas energa elctrica e instrumentacin edificaciones y estructuras.Se define el dao ssmico esperado y se proponen alternativas de mitigacin.

Adems, luego de la descripcin de las instalaciones, se discuten las fallas geotcnicas y decimentacin. Esta seccin concluye con una discusin sobre la flexibilidad y redundanciaoperativas de las instalaciones.

DescripcinLas plantas de tratamiento de agua se usan para mejorar la calidad del agua de

bebida por razones estticas y de salud pblica, y se pueden disear para tratar aguassuperficiales o subterrneas. Las plantas de tratamiento de aguas superficiales se diseanpara remover turbiedad, sustancias qumicas y agentes patgenos, y generalmente,contribuyen a la desinfeccin y al control de la corrosin. Su fuente de agua no tratadageneralmente consta de cuencas hidrogrficas, ros o represas.

Las plantas de tratamiento de aguas subterrneas generalmente se usan parasuavizar el agua o remover hierro o manganeso, u otros contaminantes orgnicos einorgnicos. Su fuente de agua son los pozos o manantiales.

Las plantas de tratamiento a menudo usan sustancias qumicas para coagulacin(por ejemplo, alumbre, cloruro frrico y polmeros), ajuste del pH o control de la corrosin(por ejemplo, custico o cal), desinfeccin u oxidacin (por ejemplo, cloro gaseoso,hipoclorito, ozono o permanganato de potasio), y otros usos (por ejemplo, fluoruro o carbnactivado).

Los componentes tpicos de una planta de tratamiento de agua se enumeran acontinuacin. Adems, muchas plantas de tratamiento de agua incluyen estaciones debombeo de agua tratada o no tratada.

Tanques y estructuras de tratamiento tanques de pre-sedimentacin tanques de aeracin tanques de mezcla rpida floculadores paletas o deflectores tanques de sedimentacin y clarificadores

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filtros gravedad y presin tanques de almacenamiento de agua y pozos de aguas claras tanques de agua de retrolavado y almacenamiento de lodos canales y galeras de tubos instalaciones de disposicin de lodos.

Equipos y tuberas tuberas enterradas tuberas descubiertas bombas de agua, ventiladores y compresores bombas y equipos de dosificacin de sustancias qumicas tanques de productos qumicos tanques pequeos de agua o combustible equipo para calefaccin, ventilacin y aire acondicionado equipo de laboratorio y oficina estanteras de almacenamiento.

Energa elctrica e instrumentacin subestaciones transformadores armario de mandos de control paso de cables y conductos computadoras y falsos pisos para computadoras equipo de telemetra grupo electrgeno (sistema de arranque, combustible, enfriamiento y escape) centro de control iluminacin.

Edificios edificios de operaciones edificios de mantenimiento edificios de almacenamiento de cloro edificios que albergan otras unidades de tratamiento edificios de almacenamiento de equipos y materiales.

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Las estaciones de bombeo incluyen aquellas adyacentes a los reservorios y ros, ylas estaciones de impulsin cuyo propsito es incrementar la carga. Generalmente, lasestaciones de bombeo tpicas son edificios con muros de corte que incluyen unidades debomba/motor, tuberas, vlvulas y equipo elctrico, mecnico y de control. Las bombashorizontales de cmara partida y las bombas de turbina vertical son los dos tipos principalesde bombas utilizadas. A menudo, un suministro de electricidad de emergencia que constade un generador disel de reserva, un banco de bateras y tanques de almacenamiento decombustible disel, se incluye en las estaciones de bombeo para operar en casos deemergencia cuando se produce una falla en la energa elctrica.

Las instalaciones de pozos incluyen equipos y tuberas, equipo de instrumentacin yenerga elctrica, y las estructuras descritas en esta seccin.

Fallas geotcnicas y de cimentacin, y alternativas de mitigacinLas estructuras de los tanques, los canales y los conductos grandes en las plantas de

tratamiento de agua son vulnerables al asentamiento diferencial, al incremento en laspresiones laterales del suelo y a la flotacin (ver figura 3-6). Los deslizamientos tambinpueden ser un problema en algunos sitios.

El asentamiento diferencial tiene mayor probabilidad de ocurrir cuando unaestructura se ubica sobre suelos sujetos a la densificacin, o sobre suelos o cimientos queson variables a lo largo de la estructura. Los diferentes grosores del relleno de soporte o losdiversos tipos de cimientos que atraviesan una estructura incrementan el riesgo delasentamiento diferencial.

La instalacin debe estarubicada lejos de suelos que podrandensificarse. Las estructuras debenubicarse sobre cimientos totalmenteconsistentes. De lo contrario, lasestructuras deben ser diseadaspara resistir los desprendimientos oel movimiento diferencialesperado.

Los sismos incrementarnlas presiones laterales del terrenode las obras de tierra. Los mtodosdesarrollados por Mononobe yOkabe (Seed 1970) brindan pautasde diseo en caso se incrementen las presiones activas del terreno. Las presiones pasivasdel suelo pueden ser activadas cuando se produce el flujo lateral debido a la licuefaccin.

La licuefaccin puede hacer que las estructuras subterrneas en reas con grancantidad de aguas subterrneas floten o se hundan diferencialmente. Para evitar que floten,mantenga los tanques llenos. Para ms informacin sobre medidas de mitigacin de lalicuefaccin, consulte el captulo 2.

El dao por impacto entre dos estructuras, o el movimiento permanente entreestructuras adyacentes, pero que no se encuentran adosadas o estn adosadasinadecuadamente, tambin puede producir la apertura de las juntas de expansin. Se debeproporcionar flexibilidad entre dichas estructuras.

Figura 3-6 Tanque de aguas residuales que flot debido a lalicuefaccin en Niigata, Japn

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Fuente: Kennedy/Jenks Consultants.Figura 3-9 Deflectores daados en clarificador secundariodebido al terremoto de Loma Prieta (California).

Fuente: Kennedy/Jenks Consultants.Figura 3-8 La presin hidrulica da seriamente elreactor-clarificador en la planta de tratamiento de agua enRinconada (California).

Fuente: D.B. Ballantyne.Figura 3-7 Los deflectores del floculador y las placasinclinadas del clarificador que resultaron daados en laplanta de tratamiento de agua de Limn, Costa Rica.