F1-Lineas Prioritarias C y D
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Actividad experimental de I+D+i en ingeniería hidráulica en España PRESENTACIONES DE LÍNEAS PRIORITARIAS C-D Madrid, 18 de Junio de 2.009
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Actividad experimental de
I+D+i en ingeniería hidráulica en España
PRESENTACIONES DE LÍNEAS PRIORITARIAS C-D
Madrid, 18 de Junio de 2.009
www.ptlhe.es [email protected]
Adaptación de la presa de Amadorio, Alicante, al Reglamento técnico de seguridad
de presas y embalses de 1996 (Enrique Aramburu; CEDEX) Investigación de la UPM en Seguridad de Presas (Miguel Angel Toledo; UPM) Análisis de la auscultación hidráulica de las presas por técnicas de redes
neuronales (Francisco Riquelme, Miguel Ángel Toledo; UPM) Metodología para la evaluación del comportamiento de los cuencos
amortiguadores existentes en presas y su adaptación a los nuevos estándares de
seguridad de presas y embalses (Vallés Morán, F.J., Escuder Bueno; UPV) Aliviadero de la Presa de Huesna (Roberto Carlos Martinez, Dolores Cordero, CEDEX) Aliviadero en laberinto en la Presa de Mª Cristina (Dolores Cordero, CEDEX) Análisis de la filtración en presas con cimientos yesíferos (Carmen Baena, Miguel Ángel Toledo; UPM) Problemas de evacuación de aire durante la maniobra de compensación de
presiones para la apertura del desagüe de fondo de la presa de la Viñuela (David López, CEDEX) Estudios calibración del modelo SPH empleando datos de presión de prototipo del
cuenco de amortiguamiento de la presa de Villar del Rey (David López, CEDEX) Diseño hidráulico de la obra de emergencia de la cola del embalse de Arenós.
Prototipo y problemática real. Modelación física reducida (Vallés Morán, F.J., Escuder Bueno, I, Calderón García; UPV) Sistemas de captación en cauces efímeros (Luis G. Castillo E., Mª Dolores Marín Martín; UPCT) Filtrado de velocidades y caracterización de parámetros dentro de resaltos
hidráulicos libres y sumergidos (Luis Castillo, UPCT) Análisis del flujo transitorio generado por rotura de presas (Egjibar Galán, Miguel Angel; UPV) Análisis del comportamiento de presas de escollera ante un vertido por coronación (Cristina Lechuga, CEDEX) Obtención de modelos analíticos mediante técnicas fotogramétricas de roturas de
presas de escollera ante un vertido por coronación y de lechos de ríos (A.Diez, ETSI Topografía, Geodesia y Cartografía, Universidad Politécnica de Madrid CEDEX)
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Rotura de presas de escollera por sobrevertido (Hibber Campos, Rafael Morán, Miguel Angel Toledo; UPM) Protección de presas de materiales sueltos frente al sobrevertido mediante repié de
escollera (Rafael Morán, Miguel Ángel Toledo.)
Evaluación de las acciones hidrodinámicas a pie de presa por efecto del
desbordamiento por coronación (Luis G. Castillo, Fco. Javier Pérez de la Cruz; UPCT)
Diseño óptimo de aliviaderos tipo laberinto (Carlos Granell y Miguel Ángel Toledo; UPM) La Solera escalonada como elemento ordenador del flujo en un aliviadero (J. Pomares, M. Sánchez-Juny, J. Dolz) Aplicación del modelo numérico Turbillon al desarrollo de nuevos diseños de
escalas de peces de hendidura vertical (María Bermúdez; UDC)
Modelización numérica de la dinámica de transporte de sedimentos agua abajo de
un embalse (Nacho Fraga; UDC)
Modelización numérica de la dinámica de transporte de sustancias reactivas aguas
abajo de un embalse (Luis Cea; UDC)
Aplicación informática para el Diseño de Escalas de Peces de Hendidura Vertical (Luis Pena, UDC)
Análisis de soluciones para colectores de gran pendiente. Caso del torrente de
Santa María en el entorno del Monasterio de Montserrat (Martí Sánchez-Juny, Juan Pomares, Josep Dolz; UPC) Drenaje de aguas pluviales de la Ampliación de Campo de Vuelo en el Aeropuerto
de Barcelona (Ernest Bladé, Josep Dolz; UPC)
Estudio numérico-experimental del flujo de agua en un cruce de calles (Ernest Bladé, Leonardo Nanía, Manuel Gómez; UPC)
Estudio numérico de flujo mixto en colectores pluviales de zonas urbanas (José Luis Aragón, Ernest Bladé; UPC)
Modelización y estudio de un depósito anticontaminación en la ciudad de Reus (Rodrigo Concha, Manuel Gómez; UPC)
Aproximación al drenaje dual urbano 1D/1D (Rodrigo Concha, Manuel Gómez; UPC)
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Implementación de sistemas de drenaje sostenible (SuDS) en España. Caso de Estudio: MR de la Marina de Elche, Alicante (Perales Momparter, S; PMEnginyeria) Estimación de la calidad de las aguas de descargas de sistemas unitarios (M. Martín Monerris, C. Hernández Crespo; IIAMA-UPV; M. Mondría García; TYPSA)
Soluciones singulares de drenaje y desagüe urbanos (Andrés Domenech, I; Marco Segura, J.B.; Vallés Morán, FJ; UPV)
Diagnóstico de un sistema de intercepción-retención a partir de simulaciones de
evento (Andrés-Domenech, I; Marco Segura, J.B; UPV)
Propuesta de tratamiento de efluentes de tanques de tormenta mediante sistemas
de humedales artificiales (M. Martín Monerris y C. Hernández Crespo; UPV)
Funcionamiento de tanques de tormenta (José Anta; UDC)
Lluvia-Escorrentía en cuencas urbanas. Estudio experimental de la influencia de la
edificabilidad y validación de modelos numéricos de aguas someras (Marta Garrido; UDC) Análisis del patrón vertical de velocidades en un río meandriforme: modelización
física (Inés Mera; UDC) Caracterización de flujos de contaminación asociados a aguas pluviales:
experiencias en la medición de caudales (Héctor Del Río; UDC) Caracterización de flujos de contaminación asociados a aguas pluviales:
experiencias en la medida de contaminación (Joaquín Suárez; UDC)
ADAPTACIÓN DE LA PRESA DE AMADORIO (ALICANTE) AL REGLAMENTO TÉCNICO DE SEGURIDAD DE PRESAS Y EMBALSES DE 1996.
Aramburu Godínez, Enrique1
Línea prioritaria D Seguridad en presas. Aspectos hidráulicos e hidrológicos
La presa de Amadorio se encuentra situada en el río Amadorio, en el muni-cipio de Villajoyosa, provincia de Alicante. Se trata de una presa de gravedad de 64 m de altura y con un volumen de embalse de 15,8 hm3. La construcción de
la misma finalizó en el año 1957.
Dispone la presa como órganos de desagüe de un aliviadero superficial y dos desagües de fondo. El aliviadero está constituido por dos vanos regulados con compuertas Taintor de 15 m de anchura cada uno. El agua se restituye al cauce mediante un cuenco amortiguador
La capacidad teórica del aliviadero actual es de 520 m3/s. El estudio hidro-lógico realizado en el Centro de Estudios Hidrográficos del CEDEX ha deter-minado unos caudales punta para los hidrogramas de entrada al embalse de 915 m3/s, para la avenida de proyecto de 1.000 años de periodo de retorno, y de 1.892 m3/s para la avenida extrema de 5.000 años (presa de Categoría A) Es necesario, por tanto, ampliar la capacidad de desagüe del aliviadero actual.
El diseño de las compuertas del aliviadero por otra parte no cumple lo es-tablecido en la Instrucción de 1.967, “que la suma de los caudales que puedan ser evacuados por todos los dispositivos sujetos a control, con el embalse a su nivel máximo normal, no será nunca superior al caudal de la avenida normal”. En consecuencia no se debe rebajar el umbral del vertedero, ni aumentar el ancho de compuertas, ni en general aumentar la capacidad de desagüe de la presa cuando el embalse se halla al nivel máximo normal, pues empeoraría lo establecido en la Instrucción.
Un condicionante que se tuvo en cuenta además es el mantenimiento de la capacidad actual del embalse. Por otra parte, en la situación actual, las com-puertas no pueden abrirse totalmente por lo que hay que subir en cualquier caso el tablero del puente, cuyas vigas además hay que sustituir pues se en-cuentran en mal estado. También es conveniente mejorar el perfil del vertedero existente.
Se estudiaron por tanto tres soluciones, en la primera se mantiene el ancho actual del vertedero, lo que conduce a tener que recrecer la coronación de la presa de la cota 129,65 hasta la cota 132, mientras que en las otras dos alter-nativas se dispone de un aliviadero complementario de labio fijo, de 2 x 30 m en un caso, y 2 x 15 en el otro, y en ambas alternativas el recrecimiento de la presa sólo se haría hasta la cota 131. La primera alternativa tiene la ventaja de laminar mejor las avenidas y ser bastante más económica que las otras dos, por lo que finalmente se decidió su ensayo y comprobación en un modelo actualmente en ensayo en el Laboratorio de Hidráulica.
1 Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Coordinador de Programa Técnico Científico. Laboratorio de Hidráulica del Centro de Estudios Hidrográficos del CEDEX
ANÁLISIS DE LA FILTRACIÓN EN PRESAS CON CIMIENTOS YESÍFEROS (Línea D)
Carmen Baena
Miguel Ángel Toledo
La circulación del agua en el cimiento se ha asimilado a un flujo intergranular en régimen laminar. El flujo intergranular está
asociado a gran superficie específica expuesta a la disolución, que en este caso se basa en un modelo de disolución de
partículas.
La velocidad de avance del frente de disolución (u) se calcula según la formulación de James A.N. y es directamente
proporcional a la velocidad del flujo (v) e inversamente a la masa de partículas solubles por unidad de volumen.
El porcentaje de material soluble es fundamental en la velocidad de avance del frente y en el aumento de la permeabilidad del
cimiento por la disolución. Las relaciones entre la velocidad de avance respecto a la de filtración y entre los coeficientes de
permeabilidad tras la disolución y antes de ella, son contrapuestas respecto al porcentaje de material soluble:
RELACIÓN DE u/v Y Ktd/K0 CON % DE YESO
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
% de yeso
u/v
0.00E+00
1.00E+03
2.00E+03
3.00E+03
4.00E+03
5.00E+03
Ktd
/K0
u/v Ktd/K0 n=0,2 Ktd/K0 n=0,3 Ktd/K0 n=0,4
Los objetivos del estudio son:
• Modelizar y calcular la evolución de la permeabilidad de un cimiento yesífero.
Se ha desarrollado un programa en Visual Basic, DISOLUCIÓN2D, que permite calcular la variación del coeficiente de
permeabilidad en un cimiento modelizado con el programa comercial SEEP-2D según progrese la disolución.
DISOLUCIÓN2D realiza iteraciones en el tiempo a partir de los resultados del SEEP2D. A partir del resultado de una iteración,
calcula el avance del frente de disolución para el intervalo de tiempo y prepara los datos para el siguiente cálculo de SEEP2D.
Este proceso permite calcular la evolución en el tiempo del frente que avanza por la capa de cimiento con material soluble.
• Comparar la efectividad del diseño de la presa para controlar la disolución del cimiento.
Se están calculando modelos presa-cimiento con distintos diseños de presa y características del cimiento (porcentaje de
material soluble, profundidad y espesor de la capa yesífera, permeabilidades iniciales, ...) para concluir qué factores son
determinantes.
Investigación de la UPM en Seguridad de Presas
Línea D
Miguel Ángel Toledo
Esta ponencia presentará las líneas de investigación del grupo
de la UPM en seguridad de presas, tanto proyectos en los que se
está trabajando en estos momentos, como proyectos presentados a
diversas convocatorias y pendientes de recibir financiación o
propuestas pendientes de concretar.
METODOLOGÍA PARA LA EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE LOS CUENCOS
AMORTIGUADORES EXISTENTES EN PRESAS Y SU ADAPTACIÓN A LOS NUEVOS
ESTÁNDARES DE SEGURIDAD DE PRESAS Y EMBALSES Vallés Morán, F.J.; Escuder Bueno, I; Instituto de Ingeniería del Agua y Medio Ambiente, UPV.
Línea prioritaria D. Seguridad de presas. Aspectos hidrológicos e Hidráulicos
INTRODUCCIÓN. PLANTEAMIENTO_La nueva normativa de presas establece criterios de
seguridad mas restrictivos y la necesidad de actualizar periódicamente los estudios que
justificaron el dimensionamiento aquellas. Entre los aspectos a revisar se encuentra la hidrología
y, por tanto, los caudales esperables de avenida. Los condicionamientos adoptados en su día
para el proyecto de presas relativamente antiguas, resultan obsoletos a la luz de los nuevos
datos recolectados desde el proyecto de las mismas y de los nuevos métodos de cálculo.
Los diseños más habituales de los cuencos amortiguadores, si bien son susceptibles de ciertas
mejoras, tienen límites de funcionamiento muy estrictos, convirtiéndose en ineficaces para
caudales superiores a los de diseño. En esta presentación se aborda el problema planteado.
EL ÁBACO DE SELECCIÓN TIPOLÓGICA/PREDIMENSIONAMIENTO-COMPROBACIÓN_Se presenta
un ábaco que facilita la elección del tipo de cuenco amortiguador, en función tan solo de las
nuevas variables caudal específico en el cuenco y altura de caída de la presa.
F=4.5
ÁBACO PARA LA ELECCIÓN Y PREDIMENSIONAMIENTO DEL CU ENCO AMORTIGUADOR.Presas de Gravedad Vertedero - Cuencos Tipificados
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
35.00
40.00
45.00
50.00
55.00
60.00
65.00
70.00
75.00
80.00
85.00
90.00
95.00
100.00
105.00
110.00
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
altura de caída Z (m)
cau
da
l e
spe
cífi
co q
(m
2/s)
F=1 F=1.7 F=2.5
F=8
F=9
F=10
F=17
F=20
F=4.5
F=18
U1 = 20 m/s U1 = 30 m/s
����R
.H.
NO
NE
CE
SAR
IO C
UE
NC
OE
N P
PIO
SU
FIC
IEN
TE
CU
EN
CO
CO
N
UM
BR
AL
FIN
AL
R.H. DÉBIL R.H. OSCILANTE R.H. ESTACIONARIO
R.H
. ES
TA
CIO
NA
RIO
R.H
. FU
ER
TE
VNIIG III
VNIIG II
VNIIG IV
P1
P2
P3
F=1 F=1.7
F=2.5 F=8 F=9 F=10
F=17
F=20
F=4.5
F=18
(*)
(**)
q = qx
P1P2
P3
P1 = P1(Zx, qx); P2 = P2(Zx-, qx); P3 = P3(Zx=, qx); (*) ≡≡≡≡ AIREADOR ÚNICO; (**) ≡≡≡≡ DOS AIREADORES.
CURVA DE CAVITACIÓN
U1 = U1 (Z)
FALL CREEK
DETROIT PROJECT
GREEN PETER DAM
CUENCOS TIPIFICADOS
LA AIREACIÓN ARTIFICIAL COMO INSTRUMENTO PARA LA AMPLIACIÓN DEL CAMPO DE
APLICACIÓN DE LOS CUENCOS_Habrá casos, en los que principalemte por razones técnicas y a
veces también económicas, no sea conveniente e incluso recomendable el uso de un cuenco
tipificado. Se plantea en tales ocasiones el uso de la aireación artificial como mecanismo que
permite la extensión del campo de aplicación general de este tipo de estructuras al conseguir
minimizar el peligro de daños por cavitación. Con ayuda de la aireación se pueden modificar
las características originales del flujo de entrada al cuenco ya que lo esponja y frena al mismo
tiempo.
CONCLUSIONES_El ábaco resulta una herramienta muy útili para el diseño y proyecto de este
tipo de estructuras, pues reúne en un solo gráfico toda la literatura técnica existente en cuanto
al campo de aplicación de los cuencos tipificados permitiendo además, y en base tan solo a
dos variables hidráulicas muy sencillas de obtener, la selección rápida de las tipologías
adecuadas al caso en estudio. También es una buena herramienta de comprobación cuando
cambian las condiciones de proyecto.
Con ayuda de la aireación artificial se amplía el campo de los cuencos tipificados conocidos,
al conseguir que situaciones que se salen de su rango de utilización, mediante la aireación del
flujo al pie de la rápida vuelvan a tener condiciones de entrada al resalto propias de casos que
se encuentran dentro de aquel.
Aliviadero de la Presa de Huesna
Roberto Carlos Martínez García
Mª Dolores Cordero Page
(Línea Prioritaria D)
La presa de Huesna se finalizó en 1990. Está situada sobre el río Rivera de Huesna, en los términos municipales
de Constantina y El Pedroso, provincia de Sevilla. El aliviadero, de labio fijo, se encuentra ubicado sobre un
collado artificial en la margen derecha de la presa. Los productos obtenidos de la excavación en la apertura del
collado fueron utilizados para la construcción del cuerpo de presa. El collado termina en el Barranco Carbonero
que se utiliza como desagüe de los caudales vertidos por el aliviadero hasta el Rivera de Huesna dónde vierten
los desagües de fondo.
El proyecto de protección del aliviadero de la Presa de Huesna, ya ejecutado, ha consistido en: la construcción
de una serie de azudes a lo largo del Barranco Carbonero con el fin de reducir la pendiente del cauce, la
colocación de muros gaviones en el pié de las laderas más inestables y la disposición de una serie de traviesas
de hormigón en el cauce para limitar la socavación y los arrastres.
Existe una zona localizada en la cabecera del barranco, de unos 100 m de longitud, donde existe un importante
desnivel coincidiendo con un pronunciado giro, siendo además una zona donde tiene lugar un deslizamiento
importante de la ladera derecha. Ante la imposibilidad de predecir de forma adecuada el comportamiento real
del aliviadero en la zona de cabecera con el modelo matemático unidimensional usado en el proyecto se decidió
realizar el ensayo en modelo reducido.
Una vez realizados los ensayos sobre la Solución Proyecto y visto el deficiente funcionamiento general y las
erosiones observadas, se procedió a realizar ensayos sobre distintas alternativas. En un principio, en las
alternativas estudiadas se pretendía que la circulación del flujo se realizase en régimen lento por lo que se
encaminaron hacia la disminución de la velocidad del flujo tratando de reducir las erosiones que se observan en
el modelo y que en el prototipo podrían ocasionar el deslizamiento de laderas. Descartadas las alternativas
vinculadas a la circulación en régimen lento, por los niveles registrados y por las obras de disipación que
requieren, se dispuso estudiar alternativas con una circulación en régimen rápido realizándose en el modelo la
construcción de un canal que se adaptase lo más posible a la geometría del barranco, y que en la medida de lo
posible salvase las obras ya ejecutadas.
Actualmente nos encontramos en los ensayos de ajuste de una nueva geometría del canal con salida en falso
túnel utilizando un cuenco de resalto como obra de restitución al cauce.
Solución Proyecto
Alternativa en canal
Aliviadero en laberinto en la Presa de Mª Cristina
Mª Dolores Cordero Page (Línea Prioritaria D)
La presa de Mª Cristina tuvo su primera avenida durante su construcción en 1920. En 1946 se produjo una
nueva avenida con 560 m3/s que causó un grave deterioro sobre el aliviadero original provocando su
inutilización y la necesidad de construir un nuevo aliviadero sobre el cual se produjeron dos nuevas avenidas
con vertido sobre coronación en 1962 y 1969. Por último otra avenida en 2000 dio lugar a un nuevo vertido
sobre coronación.
La presa, clasificada de categoría A, no se ajusta a los nuevos criterios de diseño propuestos por el Comité
Español de Grandes Presas en la Guía Técnica nº 5 “Aliviaderos y desagües”, por lo que la Confederación
Hidrográfica del Júcar consideró necesario la realización de un modelo reducido del nuevo aliviadero diseñado
para adecuar la capacidad de desagüe a la normativa vigente.
El objeto del modelo realizado en el Laboratorio ha sido los ensayos sobre un nuevo aliviadero tipo laberinto
que permita desaguar los caudales de acuerdo con la normativa vigente, analizando el comportamiento del
aliviadero especialmente para láminas de vertido por encima del rango de funcionamiento del vertedero.
El modelo a escala 1/50 reproduce el aliviadero, la presa y las zonas del embalse y del río aguas abajo. El
aliviadero, situado en la ladera derecha entre el cuerpo de presa y el muro de protección del antiguo aliviadero,
consta de vertedero tipo laberinto, cuenco de recogida, azud de control, rápida y estructura de restitución al
cauce.
Con la necesidad de lograr una elevada capacidad de desagüe desarrollando la longitud de vertido necesaria en
una zona limitada, la Solución Proyecto constaba de un laberinto de 9 módulos con un trampolín semi-
sumergido como estructura de restitución al cauce.
Las premisas fijadas (Avenida de Proyecto T1000 Q=2.855 m3/s, 1 m de resguardo, y Avenida Extrema T5000
Q=4.577 m3/s, agotamiento del resguardo) no se cumplían por lo que se estudiaron distintas soluciones tanto del
aliviadero en laberinto como de la estructura de restitución al cauce.
Finalmente se propuso un aliviadero en laberinto de 7 módulos, que aumenta la capacidad de desagüe respecto
al laberinto original, y un cuenco de resalto con dos filas de dientes y cajeros a dos alturas.
A la vista de los ensayos realizados en el modelo físico se puede observar que:
• Las curvas de capacidad y de coeficiente de desagüe de modelo dan resultados inferiores a los valores
teóricos por lo que el aliviadero ensayado tiene menor capacidad de desagüe que la teórica de Proyecto
• Las inflexiones en las curvas experimentales se deben a cambios de funcionamiento del aliviadero
(funcionamiento libre, interferencia de láminas entre los módulos, y funcionamiento anegado como
vertedero en pared gruesa)
Aliviadero de 7 módulos. Q =1.000 m3/s
Diseño óptimo de aliviaderos tipo laberinto
Carlos Granell y Miguel Ángel Toledo
El objetivo general del proyecto es definir criterios de predimensionamiento y de dimen-sionamiento óptimo de aliviaderos tipo laberinto, como solución para aumentar la capaci-
dad de desagüe de presas existentes y así mejorar su seguridad hidrológica.
Para ello, se plantean los siguientes objetivos particulares:
- Estudio de la influencia de las condiciones de aproximación: topografía y orienta-ción del flujo de agua.
- Definición de criterios para la modelación física mediante ensayo en modelo redu-cido, incluyendo el análisis del efecto de escala.
- Definición de criterios para la modelación numérica mediante el método de ele-mentos finitos y partículas (PFEM).
- Estudio de la influencia de los elementos flotantes.
Se plantea la modelación física, mediante modelo reducido, y numérica, mediante el mé-todo PFEM, así como la utilización de técnicas de optimización.
Los trabajos a realizar son:
- Descripción del estado del arte
- Campaña 1: Modelación física y numérica de los casos previamente selecciona-dos, variando los parámetros esenciales.
- Del análisis de los resultados obtenidos en la campaña 1, se deducirán las conclu-siones relativas a:
. Influencia de los parámetros esenciales
. Criterios de modelación numérica mediante PFEM
. Criterios de modelación física mediante ensayo en modelo reducido
. Influencia de las condiciones de aproximación
. Efecto de los elementos flotantes
- Campaña 2: Modelación física y numérica de los casos seleccionados para valida-ción de los criterios de modelación previamente establecidos.
- Campaña 3: Modelación numérica o física complementaria para disponer de datos suficientes para abordar la definición de criterios de optimización.
- Definición de criterios de diseño óptimo.
Introducción
Las tomas para riego de la presa de Tous disponen de válvulas
Howell-Bunger como elemento de regulación. Estas vierten,
sumergidas, al depósito de cabecera del canal, situado aguas
abajo de la presa en su margen izquierda. Cuando la carga del
embalse supera un cierto umbral, se empiezan a producir
vibraciones de intensidad creciente a medida que lo hace el
nivel de embalse. Por esta razón los técnicos encargados de la
explotación de la presa condicionan la explotación del
embalse para no dar servicio con las tomas de riego con
niveles de embalse que superen la cota 107 m.s.n.m. Además,
han constatado que las campanas no funcionan correctamente
pues no son capaces de airear el flujo. De hecho introducen
aire en el flujo y cesan de airear de forma aleatoria, y la
vibración se atenúa enormemente cuando airean, por lo que
han realizado diferentes modificaciones sobre las campanas
para facilitar la entrada de aire sin éxito.
Figura 1.- Sección longitudinal por el eje de una válvula Howell. Para realizar medidas de presiones sobre la campana se han
utilizado transmisores de presión NUOVAFIMA de 0-10
bares de rango de medida. Se dispusieron seis sensores (1-6)
en la campana y otro (7) en el depósito, fuera de la zona de
influencia de los chorros para registrar sincronizadamente el
nivel del depósito.
Figura 2.- Frecuencias propias de la campana sumergida.
El espectro de la figura 2, muestra una frecuencia de 53.7 Hz
que corresponde a la campana, otra de 62 Hz que corresponde
Diagnostico de la causa de la vibración
Existen multitud causas que pueden excitar la vibración de
una estructura hidráulica. En este caso podría diagnosticarse
que la causa de la vibración viene inducida por una
inestabilidad del flujo. Es conocido que la entrada de un flujo
en otro con gran diferencia de velocidades genera, en la
interfaz y su contorno, unas tensiones tangenciales de gran
magnitud que viene acompañada de una gran inestabilidad. Es
este nuestro caso, pues el chorro que sale de la campana de la
válvula Howell-Bunger lo hace a gran velocidad a un depósito
con agua parada. Por su puesto, para que esta inestabilidad se
convierta en una vibración es necesario que exista un
elemento rígido amplificador de la misma, en nuestro caso, la
campana de aducción de aire. Además este mecanismo
vibratorio tiene un carácter aleatorio, es decir, que bajo las
mismas circunstancias puede, o no, excitarse la vibración.
De acuerdo con el testimonio de los técnicos encargados de la
explotación cuanto mayor es el nivel del embalse mayor es la
vibración del edificio cuando vierten las válvulas. Esto se debe
a que cuanto mayor sea la mayor velocidad de salida del
chorro mayor será la inestabilidad y por tanto mayor la energía
con la se excita la campana de aducción de aire.
Para mayor complejidad hemos visto que las frecuencias
propias de la campana (54 Hz.) y del edificio (62 Hz.) son
bastante próximas de modo que, si la energía con que se excita
la vibración es suficientemente alta, pueden llegar a solaparse
y entrar en resonancia.
Hemos comprobado que con niveles bajos del depósito se
introduce aire en el flujo en la parte superior de la campana,
reduciendo así la magnitud de las vibraciones.
El problema de las campanas, como vemos, es doble pues
vibran a una frecuencia próxima a la del edificio, y además no
cumplen la función de airear que es para lo que han sido
diseñadas.
Soluciones propuestas
Para solucionar el problema y poder explotar el embalse con
normalidad con el nivel de embalse por encima de la cota 105
m.s.n.m, se recomendaron dos actuaciones. La primera, como
medida de urgencia, eliminar la campana, lo que conjuraría el
peligro de entrar en resonancia, y en una segunda fase sustituir
la campanas por otras diseñadas “ad hoc”, que aireen el flujo
en toda la gama de niveles de embalse
Con esta modificación en una de las válvulas se realizó una
segunda campaña de ensayos con el embalse a la cota 100. En
las válvulas con campanas se registraron aceleraciones medias
de unos 4 g y picos de 9 g. Mientras que la vibración se atenúa
enormemente cuando se vierte por la válvula sin campana. El
espectro de la figura 5 evidencia que las vibraciones de baja
frecuencia han perdido peso en favor de la frecuencia de 75
Hz. Esta frecuencia ha aparecido en los registros anteriores
con poca energía asociada.
Conclusiones y recomendaciones
Las válvulas Howell-Bunger son un elemento de regulación
extraordinario, sin embargo, el disponerlas en vertido
sumergido obliga a cuidar al máximo el diseño del sistema de
aducción de aire. La solución provisional adoptada,
eliminando la campana, ha permitido suprimir en gran parte
las vibraciones de baja frecuencia y por tanto evitar que entre
en resonancia el edificio, aunque sigue vibrando el desagüe.
La solución definitiva a este problema pasa por airear el
chorro modificando la instalación existente, mejorando el
diseño de las campanas, con la ayuda de un modelo físico, y
reduciendo la carga de agua que debe vencer para airear.
PROBLEMAS DE VIBRACIÓN EN COMPUERTAS HOWELL –BUNGER EN VERTIDOS SUMERGIDOS
PROBLEMAS DE EVACUACIÓN DE AIRE DURANTE LA MANIOBRA DE
COMPENSACIÓN DE PRESIONES PARA LA APERTURA DEL DESAGÜE DE
FONDO DE LA PRESA DE LA VIÑUELA
RESUMEN
En este artículo se presentan los trabajos realizados para detectar la causa y proponer
soluciones a un importante problema de operación del desagüe de fondo de la presa de
la Viñuela. El desagüe consta de dos conductos de 430 m. de longitud. Dispone de dos
válvulas U.S. Bureau en cada conducto con by-pass y aireación aguas abajo de la
segunda y sendas válvulas Howell-Bunger a la salida.
Tras la pérdida accidental del indicador de apertura de la segunda Bureau del desagüe
izquierdo, comenzaron a producirse problemas durante la maniobra de equilibrado de
presiones, previa a la apertura de ésta válvula. Unos minutos después de la apertura del
by-pass se producía una descarga de agua y aire por la salida del conducto de aireación
unos 80 m. por encima de la válvula, con velocidad vertical tan alta que impacta
violentamente con la cubierta de la torre de tomas. Tras una serie de ensayos de campo
se ha detectado la causa del problema. Se han desarrollado varios modelos matemáticos
para su análisis y se ha ensayado en modelo físico para profundizar en el estudio del
fenómeno y estudiar modificaciones que lo eviten.
Fig 1. Imágenes del prototipo en la que se aprecia el lanzamiento del agua por el tubo de aducción de aire
y la inundación de la cámara de válvulas.
La acometida de los conductos de aireación de los desagües de fondo suelen situarse
cerca de los by-pass y pueden verse afectadas por el chorro. Esto ha ocurrido en la presa
de la Viñuela, produciéndose un sellado hidráulico de la salida del aire. Entonces, el aire
que ocupa el desagüe antes de su llenado, se comprime y simultáneamente una mezcla
de agua y aire asciende por el conducto de aireación hasta que alcaza en su pie la misma
presión que reina en el interior del desagüe. El aumento de presión reduce la velocidad
del chorro del by-pass, y aunque la presión en el desagüe sigue aumentando, cuando la
velocidad es lo suficientemente pequeña como para que el taponamiento hidráulico
pierda efectividad, el aire del desagüe comienza a escapar. En su camino ascendente el
aire experimenta un incremento de volumen de modo que aumenta la velocidad
ascensional, transmitiéndole al agua una aceleración que hace que la mezcla de aire y
agua salga despedida con velocidad por la salida superior del conducto de aducción de
aire, reduciéndose la presión en el desagüe de fondo. Si no se cierra el by-pass, ésta
reducción de presión se traducirá en un aumento de la velocidad del chorro, volviéndose
a producir el taponamiento y el posterior lanzamiento de agua.
ESTUDIOS CALIBRACIÓN DEL MODELO SPH EMPLEANDO DATOS DE PRESIÓN DE PROTOTIPO DEL CUENCO DE AMORTIGUAMIENTO DE LA
PRESA DE VILLAR DEL REY.
RESUMEN Durante el funcionamiento habitual del desagüe de fondo de la presa de Villar del Rey (Badajoz) se produce un remolino de eje vertical en el cuenco de amortiguamiento como consecuencia del impacto de los chorros. Dicho impacto genera grandes depresiones en el fondo del cuenco, llegando a descarnar el recubrimiento superficial dejando al aire las armaduras. Se ha construido un modelo físico para analizar la causa del remolino y proponer soluciones, además se han realizado medidas de presiones en el fondo del cuenco de la presa. Todos estos datos se han empleado en la calibración de un modelo SPH. La causa del remolino reside en la inestabilidad propia del flujo al impactar un chorro turbulento a gran velocidad sobre una masa de agua parada. El modelo SPH reproduce correctamente la hidrodinámica del cuenco generando el remolino. Además el registro de presiones del modelo SPH muestra claras semejanzas con las registradas en el prototipo. Como solución se ha propuesto la disposición de unas boquillas deflectoras a la salida de los desagües para repartir el impacto en el cuenco y evitar la formación de l remolino
PALABRAS CLAVE: SPH, CHORROS TURBULENTOS, REMOLINOS, PRESIÓN EN CUENCOS DE AMORTIGUAMIENTO.
DISEÑO HIDRÁULICO DE LA OBRA DE EMERGENCIA DE LA COLA DEL EMBALSE DE
ARENÓS. PROTOTIPO Y PROBLEMÁTICA REAL. MODELACIÓN FÍSICA REDUCIDA Vallés Morán, F.J.; Escuder Bueno, I; Instituto de Ingeniería del Agua y Medio Ambiente, UPV.
Calderón García, P.A.; Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón, UPV Línea prioritaria D. Seguridad de presas. Aspectos hidrológicos e Hidráulicos
EL CASO. OBJETIVO DE LA OBRA_Se trata de una obra de emergencia para la protección de las
laderas de ambas márgenes del río Mijares en el entorno de la localidad de Puebla de
Arenoso, situada en la cola del embalse de Arenós (Castellón).
EL PROBLEMA GEOLÓGICO-GEOTÉCNICO_La Puebla de Arenoso se ubica sobre una lengua de material de derrubio que constituye el pié de un deslizamiento cuaternario. En el estado actual, la ladera sobre la que asienta se encuentra en equilibrio muy precario. Esta potencial inestabilidad no sólo pone en peligro el pueblo sino que podría provocar, por efecto de la entrada súbita de una masa deslizada en el embalse, una sobreelevación del nivel de agua, que el DHI estimó en un máximo de 30 m. Por dicho motivo se ha proyectado y ejecutado la
primera fase de una obra de estabilización que consiste en un canal de hormigón que sostiene el pie de unos rellenos que alcanzan la cota 600 (40 m por encima de la cota del cauce). Con estas medidas se consigue un aumento del coeficiente de seguridad al deslizamiento del orden del 40%, respecto a la situación primitiva.
EL PROBLEMA HIDRÁULICO_El problema hidráulico es complejo. Se hace necesaria la modelación en régimen transitorio del paso del hidrograma de proyecto, en una morfología
híbrida, por una parte natural y por tanto de lecho móvil y por otra, artificializada en la garganta o doble canalización de hormigón que protege el pie de las márgenes protegidas con escollera tanto recebada como vertida. Todo ello además para unas condiciones de contorno morfológicas y de evolución temporal de niveles en el vaso del embalse. De tal manera que, la modelación física resulta prácticamente obligatoria por: la tridimensionalidad y
singularidad del problema, por lo que respecta a la evolución espacio-temporal de los flujos de avenida; la evolución del fenómeno rápidamente variado transitorio, resalto hidráulico móvil y esviado respecto al flujo; las socavaciones generalizadas y/o localizadas que provoquen los remolinos turbulentos y; las inestabilidades de los mantos de escollera inicialmente suelta en taludes estables en seco.
DE LA MODELACIÓN FÍSICA REDUCIDA_[objetivo; la construcción del modelo y su
automatización; campañas de ensayo; conjunto de actuaciones propuestas]_El objetivo es el estudio del comportamiento hidráulico-sedimentológico del diseño de partida, definiendo, implementando y proponiendo, en su caso, aquellas actuaciones que resuelvan el comportamiento anómalo y sus efectos negativos. Se trata de un modelo físico reducido con tramos de lecho y márgenes movilizables, no distorsionado a escala geométrica 1/75, con semejanzas de Froude hidráulico y densimétrico. La longitud de estudio en la realidad
(prototipo) es de unos 1200 m.
El modelo está completamente automatizado y monitorizado, controlándose tanto los caudales de entrada como la evolución de los niveles del vaso del embalse en cada instante.
RESULTADOS Y CONCLUSIONES_El diseño hidráulico ha condicionado en gran manera la solución adoptada y la realización de un modelo físico ha permitido mejorar algunas características del diseño. Como resultado directo de la modelación se obtiene un conjunto de
7 actuaciones que consiguen corregir todos los fenómenos anómalos detectados y definir finalmente la obra en su totalidad.
SISTEMAS DE CAPTACIÓN EN CAUCES EFÍMEROS
Luis G. Castillo E.1 Mª Dolores Marín Martín1
Línea Prioritaria D.
El cambio climático está provocando un efecto directo sobre la frecuencia e intensidad de la precipitación produciéndose lluvias más intensas y menos frecuentes. Si conjugamos lluvias torrenciales y zonas potencialmente erosionables se explica la existencia de flujos torrenciales e hiperconcentrados (Wan y Wang, 1994) cada vez más acusados en las regiones semiáridas. El estudio de sistemas de captación en regiones semiáridas se justifica por tres motivos: los flujos torrenciales no pueden captarse con los sistemas habituales presa-embalse, se minimizan los efectos destructivos que llevan asociados los flujos torrenciales y, la captación de un recurso tan escaso como el agua. Existen algunas experiencias en el estudio y diseño de estos sistemas. En España existen los Tomaderos (obras bastantes ineficientes), como el del barranco de las Angustias (Isla de la Palma). En Alemania, Suiza, ex Unión Soviética, etc. encontramos la captación de caudales de ríos de montaña mediante obras llamadas Tomas Tirolesas o Caucasianas. El diseño base del sistema de captación en cauces efímeros ha de constar de los siguientes elementos:
� Vertedero o azud de pequeña altura con sistemas de rejilla de fondo y cámara de recolección.
� Canal lateral de recolección de alta velocidad que une la cámara con el decantador.
� Decantador de doble cámara vertical. Donde se realiza: la decantación e interconexión con la conducción del agua a la balsa de almacenamiento, y la autolimpieza y reintegro al cauce del caudal sobrante.
� Balsa de almacenamiento y diferentes elementos de control y seguridad. � Encauzamiento del cauce y reincorporación con el cauce original.
La forma, longitud, espesor, espaciamiento e inclinación de la rejilla constituyen los parámetros de diseño que inciden directamente en la eficiencia del sistema de captación. El diseño de la toma bajo reja y el cálculo de la capacidad hidráulica del sistema se realiza combinando dos expresiones: la que relaciona Qrio=f(Qcaptado) presentada en la metodología de Simmler (1978), y la que nos da la longitud mínima de reja (Lmin) necesaria para captar el caudal deseado, Drobir (1981).Una vez obtenida la Lmin y el Qcaptado bajo la reja diseñada, se comprueba su comportamiento en dos supuestos: en avenidas, y para el caso que la conducción de conexión con el desarenador funcione a presión. Finalmente, se obtiene la curva de captación del diseño del sistema de toma, que relaciona los caudales del río con los caudales captados con la toma. Teniendo en cuenta la problemática, y basándonos en los principales resultados que de estos estudios se han obtenido (Castillo et al., 2000, 2000 b, Castillo, 2004), actualmente el grupo está llevando a cabo trabajos cuyo objetivo es la generalización de parámetros de diseño para sistemas de captación en zonas semiáridas. 1 Universidad Politécnica de Cartagena, UPCT. Grupo de I+D+i Hidr@m.
FILTRADO DE VELOCIDADES Y CARACTERIZACIÓN DE PARÁMETROS DENTRO DE RESALTOS HIDRÁULICOS LIBRES Y SUMERGIDOS
Luis G. Castillo E.1
Línea Prioritaria D
Las medidas de velocidades instantáneas con instrumentación Doppler (ADV) son muy útiles en ingeniería hidráulica y ayudan a caracterizar el flujo en laboratorio y en el campo (ríos, canales, estructuras hidráulicas, etc.). Un ADV consiste de un emisor rodeado por un número de receptores cada uno de los cuales mide una de las proyecciones del vector velocidad. El emisor genera una onda acústica de frecuencia ef con velocidad del sonido c y longitud de onda
ee fc /=λ que se propaga a través del fluido, dispersándose cuando alcanza las pequeñas partículas que se mueven con la velocidad del fluido u, y cuyo eco es detectado por el receptor. De esta forma el ADV mide éste movimiento y no directamente la velocidad del fluido y, dado que las partículas siguen el movimiento del fluido con retardo inercial despreciable, su velocidad se asume idéntica a la velocidad del fluido.
La velocidad u, la longitud de onda rλ y la frecuencia correspondiente rr cf λ/= de la onda acústica rebotada difiere de la onda emitida, definiéndose así como frecuencia Doppler, al cambio de frecuencia de la onda acústica inducida por el movimiento de las pequeñas partículas erD fff −= . La relación entre la frecuencia Doppler y las proyecciones de la velocidad u de la pequeña partícula en la dirección de los ejes del emisor y del receptor, eu y ru , es
).(/ recD uucff += Los registros de velocidad obtenidos con un equipo ADV suelen estar afectados por diferentes señales parásitas denominados “spikes” y cuyo origen obedece a algunos factores; así, flujos con alta intensidad de turbulencia, flujos airados cuya propiedad acústica es indeseable, ambigüedades por diferencia de fase cuando la velocidad excede el límite superior del rango de medida. Aunque los spikes en algunos casos pueden ser reducidos o incluso eliminados por el ajuste de los parámetros del equipo de medida, existen situaciones en las cuales no pueden ser totalmente evitados (Wahl, 2003). Un resalto hidráulico se caracteriza por un levantamiento brusco de la superficie libre, con fuerte disipación de energía y mezcla, alta intensidad de turbulencia y entrada de aire, generación de ondas y spray. De esta forma, en flujos bifásicos (agua-aire) y altamente turbulentos los registros de velocidades obtenidos con un equipo ADV deben ser verificados y de ser necesario, llevar a cabo un filtrado digital, con el propósito de eliminar y/o corregir los datos anómalos, pero conservando las características fundamentales y la continuidad del registro. En este trabajo se analizan algunos filtros digitales, se proponen mejoras y se aplican a los registros de velocidades instantáneas medidas dentro de algunas configuraciones de resaltos hidráulicos libres y sumergidos. Los resultados obtenidos son comparados y contrastados con los resultados teóricos y experimentales ya afianzados.
1 Universidad Politécnica de Cartagena, UPCT. Grupo de I+D+i Hidr@m.
ANÁLISIS DEL FLUJO TRANSITORIO GENERADO POR ROTURA DE PRESAS
Eguibar Galán, Miguel Angel; IIAMA, UPV Línea prioritaria D. Seguridad de Presas. Aspectos hidrológicos e hidráulicos
INTRODUCCIÓN. Según el “Reglamento sobre Seguridad de Presas y Embalses”, todas las presas deben
clasificarse de acuerdo con la “Directriz de Planificación de Protección Civil ante el Riesgo de
Inundaciones” en Categoría A, B o C. Las presas o balsas analizadas han sido las siguientes:
METODOLOGÍA. En el desarrollo del Plan de Emergencia de estas presas se ha realizado un análisis de la
rotura potencial de la presa, que incluye la simulación de la onda de rotura y su propagación a través de
los cauces aguas abajo, para delimitar las zonas potencialmente inundables y los tiempos de llegada de
la onda. Las características de la brecha se han ajustado a lo especificado por la Guía Técnica, en
función del tipo de presa.
En cumplimiento de la “Guía Técnica para la elaboración de P.E.P”, para cada presa se calculan las
hipótesis obligatorias:
.- Hipótesis R2: Escenario de rotura sin avenida o tiempo seco.
.- Hipótesis R3: Escenario de rotura en situación de avenida.
Y en algunas de ellas, cuando sus características lo requieran:
.- Hipótesis R1: Escenario de rotura de compuertas
.- Hipótesis R4: Escenario de rotura encadenada de presas
SIMULACIÓN Y RESULTADOS.
La simulación del transitorio según
cada escenario de rotura
proporciona información sobre
niveles, velocidades y la
laminación de caudales aguas
debajo de la presa.
Con los resultados obtenidos se ha
realizado un estudio de las
afecciones generadas por la
rotura sobre infraestructuras,
poblaciones, patrimonio, etc.
Presa Año de estudio
Río Confederación
Sant Llorenç de Montgai 2008 Segre C.H. del Ebro
Salado 2007 Flamisell C.H. del Ebro
Reguera 2007 Flamisell C.H. del Ebro
Buitrago (balsa riego) 2006 Guadalquivir C.H. del Guadalquivir
Toruño (balsa riego) 2006 Guadalquivir C.H. del Guadalquivir
Azucarera (balsa riego) 2006 Guadalquivir C.H. del Guadalquivir
Algabarrilla (balsa riego) 2006 Guadalquivir C.H. del Guadalquivir
Guara 2004 Calcón (Alcanadre-Cinca) C.H. del Ebro
Torrollón 2004 Grande (Flumen-Cinca) C.H. del Ebro
Vadiello 2003 Guatizalema (Alcanadre-Cinca) C.H. del Ebro
Valdabra 2003 Valdabra (Flumen-Cinca) C.H. del Ebro
EVOLUCIÓN DE CAUDALES EN LAS SECCIONES DE AFECCIÓN
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Tiempo (h)
Cau
dal (
m3/
s)
0.005 0.36 0.91 1.2731.552 2.241 2.834 3.4453.825 4.238 5.418 6.1937.068 7.681 8.166 9.15410.232 11.016 11.747 12.40313.322 14.497 15.47 16.2218.816 19.705 21.058 22.42823.377 24.472 25.186 26.02228.148 29.174 30.719 32.06233.158 34.382 35.066 36.39938.085 39.16 39.854 40.39141.845 42.733 43.855 44.55345.664 46.78 47.832 48.62149.317 50.06 50.819 51.59753.103 54.125 54.614 55.61556.636 57.792 58.781 60.14162.01 63.117 64.012 65.12565.714 66.591 67.12 67.71969.371 70.279 71.168 71.97273.113 74.632 75.399 76.41278.107 79.758 80.741
ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE PRESAS DE ESCOLLERA ANTE UN VERTIDO POR CORONACIÓN
Línea prioritaria D
Ángel Lara Domínguez, Cristina Lechuga García, María Isabel Berga Cano, María del Pilar Viña Gómez
En el Centro de Estudios Hidrográficos del CEDEX se está estudiando la rotura de presas cuyos espaldones están formados por material granular no cohesivo, típicamente presas de escollera. El estudio se centra en la denominada “fase de inicio de la brecha”, es decir, desde el momento en que se inicia el sobrevertido hasta que la rotura empieza a afectar al elemento impermeable, núcleo arcilloso o pantalla.
El objetivo de la investigación es caracterizar el inicio y proceso de rotura de las presas de escollera debido a un sobrevertido y desarrollar criterios para obtener un modelo matemático para su análisis y seguimiento.
El estudio se basa esencialmente en la realización de ensayos en modelo físico (en el CEDEX y la UPM) complementados con la modelación numérica de la rotura por el método de elementos finitos y partículas (PFEM) llevada a cabo por el CIMNE. La modelación física se utilizará para calibrar los modelos numéricos desarrollados.
La realización de ensayos en modelo físico se ha estructurado en diversas campañas.
- Campaña previa
La campaña previa ha incluido todos los ensayos necesarios para abordar la campaña general en condiciones óptimas, extrayendo de ella la máxima cantidad de información fiable.
- Campaña general
Se trata de la campaña principal, con ensayos de tamaño grande (1 m de altura de presa), control detallado y variación sistemática de los parámetros principales.
Se han combinado los siguientes valores de los parámetros elegidos:
Pantalla: sin pantalla, núcleo interno y pantalla externa Talud aguas abajo: 1,5 – 2,2 – 3,0 Tamaño medio de partícula (aproximado): 7 – 15 – 30 mm
- Campañas específicas
La limitación del número de ensayos de la campaña general, aconseja realizar campañas específicas que aborden los aspectos no esclarecidos en la campaña general, y que son importantes para un adecuado tratamiento del problema. Por ejemplo, la adecuada consideración del EFECTO DE ESCALA es esencial para aplicar los resultados del estudio a presas reales.
Por último, se está finalizando el diseño de un prototipo del mayor tamaño posible ensayado en condiciones de laboratorio. Se trataría de un canal de unos 4,5 m de alto, 7,5 m de ancho y 29 metros de largo, construido en la nave del CEDEX, en el que podría ensayarse una presa de hasta 4 m de altura y quizá mayor, que serviría como prototipo para el análisis del efecto de escala. Este prototipo aumentará considerablemente la fiabilidad de las conclusiones obtenidas.
Hasta el momento se han realizado 49 ensayos válidos, correspondientes 16 a la campaña previa, 25 a la general y 8 a la específica. Actualmente se está procediendo a la elaboración e interpretación de los resultados obtenidos.
Obtención de modelos analíticos mediante técnicas fotogramétricas
de roturas de presas de escollera ante un vertido por coronación y de
lechos de ríos
A. Díez a , J. Aguirre
a , M. Mora
a, R. Rodríguez
a, A. Sáenz
a , E. Camarero
a
C. Lechugab, M. Berga
b, P. Viña
b
a ETSI Topografía, Geodesia y Cartografía, Universidad Politécnica de Madrid, 28031, Madrid -
b Laboratorio de hidráulica del Centro de Estudios hidrográficos
1 Introducción
De entre las ciencias y metodologías conocidas, la fotogrametría es la técnica que mejor se adapta a las
necesidades de determinación de la geometría de un proceso dinámico, como es el caso del control de
deformaciones de presas de escollera cuando sufren una rotura por un vertido por coronación, dado que la
captura de información de la escena se puede realizar de manera instantánea. Otra posible aplicación de la
fotogrametría es la determinación de las variaciones del lecho de un modelo fluvial en el que se producen una
serie de distorsiones a escala que hay que evaluar. En cualquier caso, lo que se pretende es realizar una serie de
medidas de alta precisión, sin interferir en ningún momento en el modelo o ensayo.
Se propone una metodología de trabajo en la que se obtienen finalmente una serie de productos, con los que el
usuario final puede obtener y cuantificar información, tanto visual como numérica, de las posibles variaciones
que haya podido sufrir el objeto de estudio.
2 Metodología
El procedimiento que se seguirá para poder obtener la representación gráfica tridimensional de un determinado
objeto, aplicando técnicas fotogramétricas, está determinado por las siguientes fases de trabajo:
Figura 1 Esquema de trabajo
• Una primera fase en la que
se elige el tipo de cámara
que se va a emplear para la
realización de las tomas
fotográficas y se determinan
los parámetros internos de la
misma, proceso conocido
como calibración.
• Una segunda fase de diseño e implantación de una red y
apoyo topográficos, toma de
datos y posteriores cálculos
y ajustes.
• Y una tercera fase
fotogramétrica a partir de la
cual se van a obtener todos
los productos (Modelo
Digital de Elevaciones,
Ortofotografías, etc.) con los
que poder estudiar, de forma
analítica, todas las
variaciones o deformaciones
del ensayo con el que se está
trabajando.
Protección de presas de materiales sueltos frente al sobrevertido mediante
repié de escollera
Línea D
Rafael Morán. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. UPM. [email protected]
Miguel Ángel Toledo. Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. UPM. [email protected]
El contenido del artículo se enmarca dentro de la línea de investigación iniciada hace años por la cátedra de
presas de la ETSI de Caminos, Canales y Puertos de la Universidad Politécnica de Madrid (en adelante UPM),
referente al estudio del vertido por coronación (también denominado sobrevertido u overtopping, en inglés) en
presas de escollera. El objetivo principal de la investigación es estudiar el efecto de las protecciones de escollera
sobre la seguridad de la presa en situación de sobrevertido, analizando la influencia de su geometría y tipo de
material utilizado, con el fin de definir criterios de dimensionamiento de este tipo de protecciones que eviten la
rotura de la presa por deslizamiento en masa.
El fenómeno a tratar es complejo, entrando en juego diversos parámetros, muchas veces no deterministas, y con
acoplamiento entre procesos, tanto de filtración como de arrastre y deslizamiento. Esta complejidad, importante
ya en condiciones de laboratorio, se acentúa si se trata de extrapolar el estudio a casos reales. El conocimiento
limitado de las propiedades y puesta en obra de los materiales utilizados en la construcción y las condiciones
morfológicas y geotécnicas del cimiento añade aún más incógnitas al análisis.
El trabajo objeto del artículo se basa en una serie de ensayos en modelo físico. Estos ensayos no están planteados
como modelos a escala de un caso real sino que son en sí mismos el prototipo de estudio. Por lo tanto, el análisis
dimensional y los denominados como efectos de escala, cuyo análisis corresponde a otro trabajo de investigación
que se encuentra en ejecución, no son objeto de este estudio. No obstante lo anterior, las características
geométricas y materiales utilizados en los ensayos están dentro de los rangos habitualmente utilizados en la
construcción de presas.
Los ensayos se han realizado en el Laboratorio de Hidráulica de la ETSI de Caminos, Canales y Puertos de la
UPM, en un recinto de ensayo de 2,4 m de anchura 1,4 m de altura y 9 m de longitud. La geometría de la presa a
proteger se ha mantenido invariable en toda la campaña y sus taludes son representativos de un caso real, siendo
1,5 tanto aguas arriba como aguas abajo. El elemento impermeabilizante simula una pantalla externa situada
sobre el espaldón de aguas arriba, desde el fondo del canal hasta su coronación. La altura de la presa (H) es de 1
m, con una anchura de coronación de 20 cm, y su material es granular, no cohesivo y bastante uniforme, de unos
3,5 cm de tamaño medio. Su caracterización detallada se adjuntará, apoyada en los ensayos geotécnicos
realizados a tal efecto.
La protección a estudiar consiste en un repié de escollera, formado por una berma aguas abajo del espaldón de la
presa principal de la misma anchura que la coronación de la presa (20 cm), rematada mediante un talud aguas
abajo. En la campaña únicamente se han variado dos parámetros de la geometría de la protección: la altura de la
berma (Hb) con relaciones Hb/H de 0,6 y 0,4 y el talud de aguas abajo (Nb) con valores 1,5; 2,2 y 3. El material,
también granular, es de unos 5 cm de tamaño medio.
Figura 1. Croquis de las secciones transversales de los casos ensayados
Adicionalmente, se analiza el comportamiento de la presa sin protección alguna para obtener resultados que
permitan comparar los daños de la presa protegida con los de la presa sin proteger. Este caso, unido a los seis
anteriores hace que el número total de ensayos realizados ascienda a siete.
Finalmente, con los datos y resultados obtenidos se compara el modelo físico con el modelo numérico de
filtración y de deslizamiento en masa por el método del equilibrio límite.
El análisis de los modelos físicos y su comparación con los modelos matemáticos ha permitido extraer algunas
conclusiones referentes a la adecuación de este tipo de protecciones para el fin que se persigue y sobre el modo
en que debe abordarse su dimensionamiento.
La campaña de ensayos forma parte del proyecto de investigación del Plan Nacional de I+D 2007-2011
denominado “Caracterización de la rotura de las presas de escollera por sobrevertido y desarrollo de criterios
para evaluar la seguridad del conjunto presa-área afectada durante una avenida”, (XPRES) con código de
identificación BIA2007-68120-C03-021. Esta campaña preliminar será completada con nuevos ensayos que
analizarán un mayor número de variables y parámetros y que requerirán un estudio más detallado.
Rotura de presas de escollera por sobrevertido
Línea D
Hibber Campos. Ingeniero Civil. UPM.
Rafael Morán. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. UPM.
Miguel Ángel Toledo. Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. UPM. [email protected]
Se presentará el análisis de los resultados obtenidos en el laboratorio de hidráulica de la Escuela de Ingenieros de
Caminos de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). Se ha realizado una campaña de ensayos sistemáticos
en modelo físico para estudiar el proceso de rotura de las presas de escollera cuando se produce un vertido por
coronación. Los ensayos se han realizado variando los taludes, el tamaño de la escollera y el tipo de elemento
impermeable, con el fin de conocer la influencia de cada uno de estos parámetros en el proceso de rotura.
Los resultados obtenidos de los ensayos han permitido caracterizar la rotura en la fase de inicio de la brecha, es
decir, desde el inicio del sobrevertido hasta que la rotura alcanza la coronación de la presa y, por tanto, se
aproxima a afectar al elemento que impermeabiliza la sección, ya sea núcleo o pantalla.
Por una parte, se obtienen conclusiones relativas al caudal de rotura, definido como el caudal de sobrevertido
necesario para que la rotura alcance la coronación de la presa en su evolución desde el pie de aguas abajo. Por
otra parte, se caracteriza el propio proceso de rotura y su dependencia del talud y el tamaño de la escollera.
Se analiza el grado de aleatoriedad del proceso. Para ello se ha repetido el mismo ensayo varias veces.
Figura 1 Imagen de la geometría de una rotura obtenida mediante técnicas fotogramétricas
Se presta especial atención al esclarecimiento del papel jugado por los dos mecanismos básicos de rotura en el
proceso: el deslizamiento en masa y el arrastre de partículas. El modo en que se combinan ambos mecanismos
determina la evolución de la rotura, su ritmo y alcance.
Todos estos trabajos forman parte del proyecto de investigación del Plan Nacional de I+D 2007-2011
denominado “Caracterización de la rotura de las presas de escollera por sobrevertido y desarrollo de criterios
para evaluar la seguridad del conjunto presa-área afectada durante una avenida”, que forma parte del proyecto
coordinado XPRES, en el que participan también el CEDEX y CIMNE.
EVALUACIÓN DE LAS ACCIONES HIDRODINÁMICAS A PIE DE PRESA POR EFECTO DEL DESBORDAMIENTO POR CORONACIÓN
Luis G. Castillo E.1 Fco. Javier Pérez de la Cruz1
Línea Prioritaria D.
Una de las principales consecuencias del cambio climático será la concentración de las precipitaciones en menores intervalos temporales, lo que producirá tormentas más concentradas y destructivas, que afectarán al funcionamiento y seguridad de las presas.
Las principales agencias de gestión del agua en Estados Unidos (Bureau of Reclamation, U.S. Army Corps of Engineers, etc.), vienen estudiando desde hace algunos años los efectos de los sucesos extremos en las presas y, más concretamente, el desbordamiento por coronación, con el objetivo final de lograr un adecuado refuerzo y evitar de esta manera su destrucción (Annandale, 2006).
Para cuantificar estas acciones, se utilizan formulaciones obtenidas a partir de mediciones de presiones sistematizadas en laboratorios de hidráulica. En Europa destacan las investigaciones llevadas a cabo en la Universidad de Glasgow (UK) (Ervine, 1987, Withers, 1991, Ervine et al., 1997), la Escuela Politécnica Federal de Lausanne (Bollaert and Schleiss, 2003) y en las Universidades Politécnicas de Cataluña UPC y de Cartagena UPCT (Castillo, 1989, Armengou, 1991, Puertas, 1994, Castillo, 2002, 2006, 2007 y Castillo et. al., 2007).
Los principales mecanismos de disipación de energía en el caso de vertidos por coronación son la aireación y atomización del chorro en el vuelo, el arrastre de aire del chorro cuando entra en el cuenco y su posterior difusión y finalmente, su impacto en el fondo.
La caracterización inicial del fenómeno se realiza definiendo los parámetros del chorro tanto en condiciones de vertido (velocidad media Vi, anchura de chorro Bi) como en condiciones de impacto a la entrada del cuenco de disipación de energía (velocidad media Vj, anchura de chorro Bj).
A partir de los mencionados estudios de las presiones se han definido diferentes parámetros de cálculo (Castillo, 2006, Castillo et al., 2007) como son la intensidad de la turbulencia en condiciones de vertido (T*u), la longitud de rotura del chorro (Lb), la anchura del chorro en condiciones de impacto (Bj) y los coeficientes de presión dinámica media (Cp), fluctuante (C’p) y extrema (C+
p y C-p).
Los chorros se pueden clasificar en cuatro tipos: en el aire como chorros no desarrollados (compactos) y desarrollados si H > Lb y en el cuenco de disipación como flujos no establecidos (compactos) y establecidos si Y > 4 Bj.
El objeto de la investigación será profundizar en la línea ya establecida mediante la caracterización de presiones, velocidades y diferentes tasas de aireación, para lo cual se cuenta en el Laboratorio de Ingeniería Hidráulica de la UPCT con una infraestructura de chorros turbulentos en la cual se realizarán las diferentes campañas, con el objetivo final de llevar a cabo la caracterización de las acciones hidrodinámicas que se producen a pie de presa cuando se produce un vertido por coronación.
1 Universidad Politécnica de Cartagena, UPCT. Grupo Hidr@m.
Análisis de la auscultación hidráulica de las presas por técnicas de redes neuronales Línea D
Francisco Riquelme
Miguel Ángel Toledo
El proyecto de investigación se enmarca dentro de una nueva línea de trabajo que
tiene como meta definir criterios para la utilización de los sistemas inteligentes en el
análisis de la seguridad de las presas y para el apoyo en la toma de decisiones. El
objetivo general del proyecto es establecer una metodología para analizar la seguridad
de la presa haciendo uso de las técnicas de análisis basadas en redes neuronales,
con aplicación al análisis de la auscultación hidráulica.
Para lograr estos objetivos se profundizará a nivel teórico en las capacidades y
bondades de los modelos basados en redes neuronales respecto de los modelos
tradicionales basados en la estadística. Se creará un modelo de redes neuronales
usando datos provenientes de auscultación y de modelos numéricos calibrados
mediante los datos de auscultación diferenciando entre el uso de los datos utilizados
en la propia calibración del modelo numérico o los no utilizados en ella. Se analizará
la capacidad predictiva de las RN, haciendo hincapié en la evolución de ésta a lo largo
de la explotación de la presa, a medida que se van incorporando nuevos datos al
entrenamiento. Se analizará el uso combinado de modelos numéricos y RN. Se
estudiará la sensibilidad entre magnitudes involucradas, determinando la influencia de
cada magnitud con las demás y de su trascendencia final en el comportamiento de la
presa. Se analizará la utilidad de las RN para identificar sensores defectuosos dentro
del sistema de auscultación. Se estudiará la aplicabilidad a la detección y simulación
de escenarios de emergencia, caracterización de modelos de fallo, establecimiento de
umbrales de emergencia, asignación de probabilidad de fallo y de escenarios de
riesgo.Finalmente, con los resultados de los estudios anteriores se generarán
herramientas y criterios que ayuden a mejorar la seguridad de presas y la toma de
decisiones.Se estudiará, entre otros aspectos, la predicción de las filtraciones
recogidas por el sistema de auscultación, que resulta esencial en el análisis de la
seguridad de la presa. Este parámetro depende no solo del nivel del agua en el
embalse y de la compleja configuración geológica y del sistema de litoclasas, sino
también del régimen de lluvias, resultando un fenómeno complejo y de difícil
interpretación por técnicas tradicionales.
LÍNEA PRIORITARIA D
LA SOLERA ESCALONADA COMO ELEMENTO ORDENADOR DEL FLUJO EN UN ALIVIADERO
J. Pomares, M. Sánchez-Juny, J. Dolz
FLUMEN - UPC
Por encargo de la UTE Presa de Lechago el Grupo de investigación FLUMEN de la Universitat Politècnica
de Catalunya ha realizado el estudio en modelo reducido del comportamiento hidráulico del aliviadero
de la presa de Lechago en el río Pancrudo, en las proximidades de Calamocha (Teruel).
El modelo se construyó a escala 1/50 y se operó según el criterio de semejanza de Froude. Los caudales
ensayados fueron 233 m3/s y 500 m
3/s correspondientes, respectivamente, a las avenidas de 1.000 y
10.000 años de período de retorno.
La coronación del aliviadero se sitúa a la cota 891 y tiene una longitud de 40,5 m. Al inicio, el aliviadero
tiene cuatro vanos de idéntica longitud separados por las pilas que soportan el puente situado en la
coronación de la presa. Aguas debajo de las pilas se sitúa el canal de descarga cuyo primer tramo
presenta una fuerte disminución del ancho en el sentido del flujo. Posteriormente el ancho es constante
e igual a 16 m.
En el canal de descarga se producían ondas cruzadas de notable altura creadas por las pilas del puente y,
principalmente, por la fuerte convergencia de los cajeros. Para el caudal de 500 m3/s, en algunas
secciones del tramo con ancho constante la cota de la superficie del agua junto a los cajeros se situaba a
más de 2.5 m por encima de la superficie del agua en el eje del canal.
Para mejorar el comportamiento hidráulico del canal de descarga se propuso modificar el diseño de las
pilas y construir una rampa escalonada en un tramo de ancho variable, entre las cotas 885,91 y 868,86.
La longitud de rampa escalonada es de 30 m y el ancho varía entre 34 y 16 m. En el sentido del flujo, la
altura de los escalones es creciente al inicio de la rampa, pasando de 0,45 m para el primero a 1 m para
el cuarto. Los otros doce escalones mantienen esta altura de 1 m.
Con el escalonado de la solera del canal de descarga se consigue un flujo ordenado y la práctica
desaparición de las ondas cruzadas.
Tramo inicial del canal de descarga de la presa de Lechago.
Solera escalonada.
Análisis de soluciones para colectores de gran pendiente. Caso del torrente de Santa Maria en el entorno del Monasterio de Montserrat
Martí Sánchez-JunyGrupo de Investigación FLUMEN. Universitat Politècnica de Catalunya.
, Juan Pomares, Josep Dolz
Línea prioritaria C: Riesgo asociado a la escorrentía urbana En el presente trabajo se presentan los resultados de un estudio experimental en modelo reducido del comportamiento hidráulico del canal de aguas pluviales diseñado con el objetivo de solucionar los problemas drenaje del torrente de Santa Maria en el entorno del monasterio de Montserrat en Barcelona. Dicho torrente es un cauce de carácter torrencial que se caracteriza por la gran capacidad de arrastre de sólidos que ha condicionado el diseño de dicho colector. Así, para asegurar un buen funcionamiento hidráulico de la estructura se realizó el diseño de unos elementos de retención de sólidos en la entrada de la misma que permiten evitar la entrada al colector de los arrastres de tamaño superior a un diámetro equivalente de 0.40 m. Se analizó cualitativamente cómo altera el funcionamiento hidráulico del colector, respecto de la situación ideal de aguas claras, con los sólidos que sí puedan entrar en el colector (inferior a 0.40 m). Se resumen los trabajos desarrollados por el Grupo de Investigación FLUMEN de la UPC, en el diseño del colector de pluviales del torrente de Santa María en el entorno del Monasterio de Montserrat. Para asegurar una adecuada entrada del caudal de proyecto al colector (48 m3/s para un período de retorno de 500 años), se han diseñado a la entrada del colector los elementos adecuados para disipar la energía del agua, así como, para evitar la entrada de sólidos, mayores a un cierto tamaño, arrastrados por el flujo. Los principales factores que condicionaron el diseño hidráulico del colector fueron: El importante desnivel del terreno que obliga a un diseño que favorezca la disipación de
energía del flujo. La notable aportación de arrastres sólidos exige unas velocidades y geometrías que
garanticen su transporte a lo largo del colector. La presencia de la estación del tren cremallera (citada en anteriormente), condiciona el
trazado tanto en planta como alzado. La cota de urbanización condiciona el trazado en alzado pues a lo largo de él hay que
garantizar un recubrimiento de al menos 1m. La presencia de roca de muy buena calidad aconseja un trazado que evite, en la medida de
lo posible, su excavación. Igualmente cabe remarcar la existencia de algunas edificaciones cercanas al colector.
El diseño llevado a cabo se estableció a partir de un análisis en el laboratorio en modelo reducido. El modelo se construyó en el Laboratorio del Departamento de Ingeniería Hidráulica, Marítima y Ambiental de la Universitat Politècnica de Catalunya. El modelo a escala 1:15, se operó bajo la semejanza de Froude y se construyó en metacrilato transparente para permitir la visualización del flujo desde cualquier punto de vista.
Drenaje de aguas pluviales de la Ampliación del Campo de Vuelo en el Aeropuerto de Barcelona
Ernest Bladé, Josep Dolz
Grupo de Investigación FLUMEN. Departamento de Ingeniería Hidráulica, Marítima y Ambiental.
Universitat Politècnica de Catalunya, Jordi Girona 1‐3 D‐1, 08034, Barcelona. Tel.: +34 934 016 481; fax: +34 934 017 357; e‐mail: [email protected]
LINEA PRIORITARIA C Riesgo asociado a la escorrentía urbana
Se presentan los trabajos de modelación numérica desarrollados para el diseño de la nueva red de drenaje del Aeropuert de Barcelona.
El diseño de la red de drenaje se realizó considerando régimen no permanente gradualmente variable, mediante el programa Quabis desarrollado por el grupo Flumen, que permite una modelación cuasi-bidimensional de propagación de avenidas en cauces y llanuras de inundación. El modelo resuelve las ecuaciones del flujo en lámina libre (conocidas por ecuaciones de Saint–Venant), juntamente con la ecuación de conservación de la masa en las zonas de almacenamiento de agua, mediante un esquema implícito en diferencias finitas (esquema de Preissmann)
Las características topográficas e hidrológicas como la reducida pendiente del terreno, la elevada intensidad de la lluvia de proyecto, y las posibilidades de bombeo en cuanto a caudal y ubicación, conducen a que el drenaje del aeropuerto, una vez realizada la ampliación, sólo sea posible con un esquema semejante al que siempre ha habido en la zona, incluso antes de la construcción del aeropuerto: importante almacenamiento del agua de lluvia durante el episodio y posterior evacuación por bombeo.
Evolución de los niveles de agua en la Cuenca Central para la precipitación de 25 años de periodo de retorno
Estudio numérico-experimental del flujo de agua en un cruce de calles
Ernest Bladé(1), Leonardo Nanía(2), Manuel Gómez(1)
(1) Grupo de Investigación FLUMEN. Departamento de Ingeniería Hidráulica, Marítima y
Ambiental. Universitat Politècnica de Catalunya, Jordi Girona 1‐3 D‐1, 08034, Barcelona. Tel.: +34 934 016 481; fax: +34 934 017 357; e‐mail: [email protected]
(2) Departamento de Mecánica de Estructuras e Ingeniería Hidráulica. ETSICCP. Universidad de
Granada. Tel.: +34 958 240035; fax: +34 958 249959; email: [email protected]
LINEA PRIORITARIA C Riesgo asociado a la escorrentía urbana
Se presentan los trabajos de comparación numérico-experimental del flujo de agua en un cruce de calles. Para la verificación experimental se utilizó una instalación en el Laboratorio de Modelos Reducidos de la Sección de Ingeniería Hidráulica e Hidrológica del Departamento de Ingeniería Hidráulica, Marítima i Ambiental de la U.P.C., que se construyó para el estudio de la distribución de caudales en un cruce de calles (Tesis Doctoral de Leonardo Naná, 1999). La modelación numérica se realizó mediante el programa CARPA:
La verificación, con resultados muy satisfactorios, se ha realizado a dos niveles: • Distribución de caudales. Se obtuvieron errores máximos del 3% • Campos de calados y velocidades
Figura 1. Calados medidos (izquierda) y calculados (derecha)
ESTUDIO NUMÉRICO DE FLUJO MIXTO EN COLECTORES PLUVIALES DE ZONAS URBANAS
Línea Prioritaria C: Riesgo asociado a la escorrentía urbana
José Luis Aragón, Ernest Bladé
Grupo de investigación FLUMEN, Departamento de Ingeniería Hidráulica, Marítima y Ambiental, Universitat Politècnica de Catalunya, Jordi Girona 1-3, D-1, 08034, Barcelona.
Correo electrónico: [email protected], [email protected]
Se presentan trabajos en desarrollo de modelación numérica de flujo mixto en colectores pluviales. El flujo mixto es el fenómeno de transición de flujo en lámina libre a flujo en presión, y ocurren simultáneamente con la posibilidad de aire atrapado; puede presentarse en muchas situaciones, entre ellos, los colectores pluviales. Este fenómeno puede ser inducido por cambios bruscos en las condiciones de contorno e inestabilidades (Yen, 2004). La propia entrada en presión del colector o la liberación de aire a través de los pozos puede inducir severos transitorios de presión dañando los colectores y causar otros problemas relacionados como: retroceso de flujo, voladura de tapaderas de pozos, salida de caudal del colector hacia la superficie urbana.
Actualmente, se han incorporado al modelo CARPA, dos de los métodos más utilizados para la modelación de dicho fenómeno, el método de la ranura de Preissmann y otro basado en las ecuaciones dinámicas completas de flujo incompresible en lámina libre y presión. Uno de los retos en este tema es determinar adecuadamente la velocidad de la onda de presión, la cual tiene gran influencia en la carga de presión, y en la velocidad de propagación de la interfase de flujo mixto, cuando la entrada en presión es brusca y rápida. Por el momento no se considera el efecto de aire atrapado y liberación del mismo a través de pozos.
CARPA es una herramienta para el cálculo de flujo en lámina libre en una y dos dimensiones desarrollada en el grupo de investigación FLUMEN, UPC. Utiliza esquemas numéricos de alta resolución, discretizando el dominio de cálculo en volúmenes finitos y con extensión a segundo orden en base al esquema de Roe (Bladé, y Gómez, 2006).
0.4
0.45
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
0.75
0.8
0 2 4 6 8 10
L (m)
h (
m)
t = 25 s
t = 45 s
t = 65 s
t = 85 s
t = 105 s
t = 125 s
t = 145 s
t = 161 s
Figura 1. Transición de flujo en lámina libre-flujo en presión
Referencias:
Bladé, E., y Gómez, M. V. (2006). Modelación del flujo en lámina libre sobre cauces naturales. Análisis integrado en una y dos dimensiones, Monografía No. 97, CIMNE, UPC, 227 pp. Yen, B. C. (2004). Hydraulics of sewer Systems, In: Mays, L. W. Urban stormwater management tools, McGraw-Hill, New York.
Modelización y estudio de un depósito anticontaminación en la ciudad de Reus.
Línea Prioritaria C: Riesgo asociado a la escorrentía urbana
Rodrigo Concha, Manuel Gómez
Grupo de investigación FLUMEN, Departamento de Ingeniería Hidráulica, Marítima y Ambiental, Universitat Politècnica de Catalunya, Jordi Girona 1-3, D-1, 08034, Barcelona.
Correo electrónico: [email protected], [email protected]
En la mayoría de las ciudades de España los sistemas de saneamiento están compuestos de redes de tipo unitario, que en tiempo de lluvia transportan una mezcla de aguas residuales y pluviales, conteniendo esta una carga contaminante no despreciable. Este flujo podría ser admitido en la Estación Depuradora de Residuales (EDAR), para su posterior tratamiento, dependiendo de la cantidad de agua precipitada y de la capacidad tanto de la red como de la EDAR. Sin embargo, para eventos de precipitación con aportaciones medianas o grandes, la EDAR o algún sector de la red podrían no tener la suficiente capacidad de tratamiento o transporte, por lo que ese exceso de flujo es vertido hacia el medio receptor (río, mar, barranco, cauce fluvial) en algunos puntos del sistema de saneamiento. Estas situaciones de vertido de flujo más carga contaminante se conocen internacionalmente como Combined Sewer Overflows (CSO) o, en castellano, como Descargas de Sistemas Unitarios (DSU) (Malgrat et al., 2008).
Dentro de las medidas estructurales que se pueden adoptar en el sistema de drenaje para mitigar el efecto de los vertidos en tiempo de lluvia, están los depósitos diseñados para retener parte de la carga contaminante que se vierte al medio. Estos se conocen como depósitos anticontaminación o antiDSU, y su planteamiento como medida para el control de vertidos no es trivial, pues supone conocer la red de drenaje con un adecuado nivel de detalle y al mismo tiempo, caracterizar la carga contaminante que aporta la escorrentía superficial, tanto en su fase de acumulación sobre la superficie de la cuenca, como en el posterior arrastre y lavado de ésta.
En el presente trabajo se da a conocer el estudio sobre el dimensionamiento de un depósito anticontaminación en la ciudad de Reus. En este documento se muestra la información de partida para este estudio, la metodología de análisis y los criterios técnicos utilizados, así como la propuesta final en términos de dimensiones del depósito.
Figura 1. Curva de acumulación de sólidos en suspensión sobre una cuenca urbana
Referencias:
Malgrat et al. (2008). Depósitos de retención anticontaminación. Curso de Hidrología Urbana. Manuel Gómez Valentín, editor. Barcelona.
APROXIMACIÓN AL DRENAJE DUAL URBANO 1D/1D
Línea Prioritaria C: Riesgo asociado a la escorrentía urbana
Rodrigo Concha, Manuel Gómez
Grupo de investigación FLUMEN, Departamento de Ingeniería Hidráulica, Marítima y Ambiental, Universitat Politècnica de Catalunya, Jordi Girona 1-3, D-1, 08034, Barcelona.
Correo electrónico: [email protected], [email protected]
Cuando ocurren sucesos de precipitación de gran intensidad sobre áreas urbanas, la red de colectores podría no tener suficiente capacidad para transportar parte de la escorrentía superficial que entra en ella, y así, parte de este flujo acabaría saliendo hacia la superficie vía pozos de registro y/o el sistema de captación superficial, produciéndose inundación en la superficie.
El drenaje dual es un innovador concepto dentro del campo del drenaje de las aguas pluviales en áreas urbanas, pues considera de forma simultánea el cálculo hidráulico del flujo en superficie, del flujo en colectores y del intercambio bidireccional de flujos que podría producirse entre ambas redes, a través del sistema de captación superficial y/o en pozos de registro. Numerosas investigaciones se han realizado en este campo (Leandro et al., 2009) diferenciándose básicamente en el esquema de cálculo numérico para el flujo superficial (1D/1D ó 1D/2D).
En el presente trabajo, se muestra una aproximación a la modelización del drenaje dual 1D/1D (flujo unidimensional en colectores/superficie), utilizando el código EPA SWMM 5.0. La metodología propuesta se focaliza en representar de forma acoplada la red superficial (calles), modelizada como una red de conductos de sección abierta (canales), y la red soterrada (colectores), como una red de conductos cerrados. Al mismo tiempo, en el esquema de red dual que se presenta, también se consideran los elementos (rejas de captación, sumideros, imbornales, pozos) donde se produce el intercambio de flujo bidireccional, representados por objetos reguladores de flujo de EPA SWMM 5.0 (Rossman, 2006) tipo vertederos, orificios u “outlets”, con los cuales se asegura una restricción al intercambio de flujo.
Niveles piezométricosNodo superf icial Nodo colector
Tiempo3:002:502:402:302:202:102:001:501:401:301:201:101:000:500:400:300:200:10
Niv
el p
iezo
mét
rico
(m)
100.5
100.0
99.5
99.0
98.5
98.0
Figura 1. Niveles piezométricos en un punto de intercambio de flujos
Referencias:
Leandro, et al.,(2009). Comparision of 1D/1D and 1D/2D coupled (sewer/surface) hydraulic models for Urban Flood Simulation.Journal of Hydraulic Enginnering, Vol.35,Nº6, 2009. Rossman (2006). Storm Water Management Model User’s Manual Version 5.0. U.S. Environmental Protection Agency, Cincinnati, OH 45268.
IMPLEMENTACIÓN DE SISTEMAS DE DRENAJE SOSTENIBLE (SuDS) EN ESPAÑA. CASO DE ESTUDIO: MR-10 DE LA MARINA DE ELCHE (ALICANTE).
Perales Momparler, S.; PMEnginyeria Línea prioritaria C. Riesgo asociado a la escorrentía urbana
INTRODUCCIÓN. El modo de gestionar el agua de lluvia en entornos urbanos ha evolucionado significativamente en la última década en Europa y en muchos de los países más avanzadas del mundo, como Estados Unidos, Australia, Malasia, y Japón entre otros. Se viene reconociendo por algún tiempo que el drenaje separativo convencional, aunque paliando algunos de los problemas del saneamiento unitario, tiene limitaciones significativas. Sus principales problemas son de cantidad (la escorrentía se genera muy rápidamente y tiende a circular aguas abajo, incrementando los efectos de inundación por incapacidad de redes de drenaje o cauces receptores) y de calidad (la contaminación difusa de cursos de agua causada por escorrentía urbana es ahora reconocido como un problema significativo, que probablemente impedirá la efectiva implementación de la Directiva Marco del Agua). Para hacer frente a estos problemas se han desarrollado una serie de métodos que enfatizan la retención e infiltración en origen de las escorrentías, reduciendo tanto el volumen como la velocidad del flujo, y tratando parcialmente la escorrentía. Estos métodos se conocen bajo diferentes acepciones, como Sustainable Drainage Systems (SuDS) o Best Management Practices (BMPs). El Objetivo es diseñar desarrollos urbanos que eviten, reduzcan y retrasen el vertido de agua de lluvia a la red de colectores o cursos de agua receptores. Esto los protegerá y reducirá el riesgo de inundaciones locales, contaminación y otros daños medioambientales.
IMPLEMENTACIÓN. Como caso de estudio de los Sistemas de Drenaje Sostenible (SuDS) en España se ha escogido el del proyecto de urbanización del sector MR-10 de la Marina de Elche, en Alicante. Debido a las condiciones físicas de la zona, limítrofe con el mar Mediterráneo pero sin un cauce natural de descarga al mar debido a la existencia de una barrera de dunas, PMEnginyeria propone que las aguas pluviales del ámbito sean gestionadas mediante SuDS, y conducidas hacia la zona de huertos (a conservar y potenciar en la franja de 500 m delimitada por el límite de edificación), para su infiltración gradual al terreno. El sector se ha dividido en cuatro subcuencas. La escorrentía generada en cada una de ellas es captada utilizando zonas de biorretención y zanjas drenantes, y conducida a través de una red de colectores (una para cada subcuenca) hacia las zonas de infiltración, que cuentan con una pequeñas zonas de recepción y disipación de energía, que además aporta un tratamiento adicional a la escorrentía transportada. Se trata de una estrategia innovadora y alternativa de intervención en el Ciclo del Agua, que respeta, en la medida de lo posible, la hidrología natural del ámbito. El dimensionamiento del sistema se ha realizado mediante modelización hidráulica, utilizando para ello el programa comercial WinDes versión w.11.2, de Micro Drainage, que permite diseñar y modelizar tanto redes de drenaje convencional como SuDS.
BENEFICIOS Y POSIBILIDADES. Entre los beneficios de la implementación del sistema de drenaje mediante técnicas SuDS en el Proyecto de Urbanización del Sector MR-10 de La Marina de Elche, cabría destacar los siguientes: protección de los sistemas naturales, integración del tratamiento de las aguas de lluvia en el paisaje, disminución del riesgo de inundación (mediante la reducción de volúmenes de escorrentía y caudales punta), protección del sistema de saneamiento existente e Incremento del valor añadido minimizando costes. Sería interesante complementar este tipo de actuaciones con acciones de monitorización y contraste con ensayos de laboratorio (entre otros), que permitiesen a España avanzar en este campo siguiendo la estela de otros países, contribuyendo al “conocimiento global” de los SuDS y adaptando las recomendaciones generales de diseño a nuestras condiciones locales particulares, entre ellas, el clima.
ESTIMACIÓN DE LA CALIDAD DE LAS AGUAS DE DESCARGAS DE SISTEMAS UNITARIOS. M. Martín Monerris, C. Hernández Crespo (IIAMA-UPV), M. Mondría García (TYPSA) Línea prioritaria C. Riesgo asociado a la escorrentía urbana INTRODUCCIÓN. Uno de los aspectos fundamentales a considerar en el diseño de los tanques de tormenta es la calidad de las aguas que pueden entrar en él. Dicha calidad depende de numerosos factores: duración e intensidad del evento de precipitación, tiempo transcurrido entre dos eventos que generen caudal interceptable por los tanques, tipo y usos de la zona urbanizada, características de la red de saneamiento, entre otros. No existe en la actualidad mucha información en nuestro país sobre la calidad de las aguas interceptables que permita diseñar los tanques del tormenta, no sólo desde un punto de vista hidrológico-hidráulico, sino desde el punto de vista de la calidad, con el fin de optimizar la carga contaminante captada. ÁMBITO DE ESTUDIO. El estudio llevado a cabo se centra en el ámbito del Parque Natural de la Albufera de Valencia. En aplicación de la Directiva Marco de Aguas, y con el fin de recuperar el buen estado ecológico de la laguna de L’Albufera de Valencia, la Administración Central está promoviendo una serie de actuaciones encaminadas a reducir las cargas contaminantes que acceden al lago. Entre ellas se sitúa una actuación encaminada a la reordenación de la red de saneamiento de los municipios del entorno del lago y la construcción de una serie de tanques de tormenta cuyo objetivo es interceptar la carga contaminante que no puede ser vehiculada por el Colector Oeste (principal arteria de saneamiento de los municipios del oeste del Parque) y llega indefectiblemente al lago a través de la red de acequias. ACTIVIDADES REALIZADAS. En colaboración con Técnica y Proyectos S.A. (TYPSA) se llevaron a cabo los muestreos y análisis físico-químicos de las aguas recogidas en varios puntos del entorno del lago, seleccionados según criterios de captación de aguas de escorrentía urbana o rural generadas en episodios de precipitación intensa. Las muestras fueron captadas y almacenadas mediante automuestradores automáticos hasta su recogida y traslado al laboratorio de “Contaminación de Aguas” del IIAMA. RESULTADOS. Los resultados muestran claramente, el proceso de “lavado” de los sistemas de colectores cuyos caudales desbordan el Colector Oeste y se dirigen hacia l’Albufera. Se observa un máximo de concentración de sustancias contaminantes a las pocas horas del inicio del evento y una disminución paulatina de las concentraciones con el tiempo. Los valores de DQO, por ejemplo, son superiores a 1000 mg O2/l durante varias horas, mientras que los valores de fósforo total alcanzan máximos de 21 mg P/l y durante cuatro horas de descarga son superiores a 10 mg P/l.
0
500
1000
1500
2000
2500
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Tiempo (h)
(mg/
l)
DBO5 DQO
0.1
1
10
100
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Tiempo (h)
P (
mg
P/l)
PT P Inorg
CONCLUSIONES. La combinación de estos datos con los del caudal medido permite determinar las cargas contaminantes que, hoy por hoy se dirigen hacia el lago, pero que en el futuro se espera sean interceptadas por los tanques. Un correcto diseño de los mismos debe tener en cuenta resultados como los anteriormente expuestos, cuya obtención debe hacerse en múltiples escenarios de precipitación a los que poder aplicar un adecuado análisis estadístico.
SOLUCIONES SINGULARES DE DRENAJE Y DESAGÜE URBANOS
Andrés Domenech, I.; Marco Segura, J.B.; Vallés Morán, F.J.; IIAMA, UPV.
Línea prioritaria C. Riesgo asociado a la escorrentía urbana
INTRODUCCIÓN. PLANTEAMIENTO_Se incluyen diversas soluciones planteadas a distintos casos de drenaje y desagüe urbano –DDU-. Se trata de, en gran medida, problemas derivados de la enorme
presión urbana y urbanística actual, incrementados aún si cabe, en el contexto del drenaje de zonas
costeras. La solución de estos problemas ha requerido de diseños hidráulicos singulares. A continuación
se presentan, de manera sucinta y con idéntica estructura expositiva, tres de los últimos casos tratados y
las características fundamentales de las soluciones planteadas.
CASO1_ DESVÍO DEL COLECTOR SUR EN EL CRUCE CON EL ACCESO DE LA LAV A VALENCIA
Se trata del eje principal del sistema de colectores de la mitad meridional de Valencia. El nuevo acceso ferroviario de alta velocidad, subterráneo, interfiere con aquel, por lo que se plantea su desvío y reposición, sujeto a fuertes condicionantes –planta, alzado-. La solución adoptada, además de coordinar la geometría del colector y su funcionamiento hidráulico, combina ciertos aspectos singulares como el diseño de transiciones de las secciones ovoides existentes a las rectangulares de reposición o la inclusión de elementos de macrorrugosidad.
CASO 2_EMISARIO Nº2 PLAN DIRECTOR DE SANEAMIENTO DE PATERNA (VALENCIA)
Se resuelve el diseño en lámina libre del colector de recogida de aguas pluviales del casco urbano de Paterna fase I ‘Emisario nº 2 a la canalización del Barranco de Endolça-Benimamet’. Como condicionantes: trazado en planta preestablecido con curvas pronunciadas y trazado en alzado de gran desnivel forzado por el cruce tanto con la línea 1 de FGV –hinca- como con la Real Acequia de Moncada; y en ambos casos, sin interrupción de servicio. Solución: se diseñan tres estructuras de caída/disipación de energía hidráulica o “pozos de disipación”.
CASO 3_DISTRIBUIDOR DESEMBOCADURA BARRANCO BARENYS EN SALOU (TARRAGONA)
Tramo final y desembocadura, en la Playa de Poniente de Salou, del encauzamiento del Bco Barenys. La solución se plantea con la mínima afección tanto a trama urbana como a las edificaciones existentes en la zona. Se pretende aprovechar los conductos preexistentes, c/Barenys y calle C. Además, se pretende independizar el desagüe al mar, del tramo final del encauzamiento mediante una sección crítica en el azud vertedero de la obra de cabecera.
El sistema esta compuesto básicamente por un Canal Ppal de Reparto en lámina libre, aliviaderos laterales y cámaras de presurización aguas arriba de los cinco conductos de salida al mar, con obras de desembocadura que incluyen un difusor final con deflectores de flujo en abanico.
CONCLUSIONES_Estos problemas no son menores, tienen connotaciones negativas relativas tanto a la cantidad como a la calidad del agua. El DDU debe plantearse ‘de la mano’ de la ordenación territorial y del planeamiento urbanístico evitando así que las soluciones se alejen del óptimo técnico, -en el más amplio sentido-. Además, y debido a su complejidad, estas soluciones suelen requerir, para su validación, de la modelación física reducida -Casos 1 y 3- Por otra parte, se evitaría también así la generación de problemas y conflictos sociales a posteriori –Caso 3-.
DIAGNÓSTICO DE UN SISTEMA DE INTERCEPCIÓN-RETENCIÓN A PARTIR DE
SIMULACIONES DE EVENTO
Andrés-Doménech, I.; Marco Segura, J.B.; IIAMA, UPV
Línea prioritaria C. Riesgo asociado a la escorrentía urbana
INTRODUCCIÓN. La modelación a escala urbana que se presenta tiene como objeto el diagnóstico de
un sistema de drenaje urbano basado en colectores interceptores y depósitos anti-DSU. Para ello, de
realiza la caracterización estadística de las DSU al medio receptor, en cuando a caudales vertidos,
volúmenes y duraciones de los mismos y del estado carga y caudales máximos de los colectores. La
metodología seguida se basa en simulaciones
de evento a partir de una matriz de
hietogramas sintéticos que cubre el rango de
probabilidad de las dos variables
fundamentales en el problema abordado: el
volumen de evento y la intensidad de pico.
En efecto, la primera variable está
directamente relacionada con el volumen de
la DSU resultante, y la segunda condiciona el
estado de caudal máximo y sobrecarga que
pueden alcanzar los colectores aguas abajo,
y por tanto puede afectar a la anterior
indirectamente.
EVENTOS SINTÉTICOS DE PRECIPITACIÓN. Una vez caracterizada estadísticamente la pluviometría, se
construye una matriz de eventos sintéticos que combinan diferentes niveles de excedencia para las
variables fundamentales: el volumen de lluvia v (directamente relacionado con el análisis de la
capacidad de almacenamiento y laminación del sistema) y la intensidad de pico iM (directamente
relacionada con la capacidad de los colectores y su riesgo de entrada en carga).
SIMULACIÓN Y RESULTADOS. Cada uno de los eventos sintéticos definidos tiene una densidad de
probabilidad asociada en el espacio bivariado (v, iM), producto de la probabilidad marginal del volumen
de evento (i=1, …, 9) y de la probabilidad marginal de la intensidad de pico de evento (j=1, 2, 3). A partir
de los resultados de cada una de estas simulaciones, se pueden obtener los siguientes resultados para
caracterizar el funcionamiento del sistema. Quedan así asociados a un determinado nivel de ocurrencia
los caudales pico en los colectores y los volúmenes vertidos al medio receptor.
Maximum flow. Main sewer DS.
0
1
2
3
4
5
6
0 5 10 15 20 25
Rainfall volume event (mm)
Max
. flo
w (
m3 /s
)
25% percentile IM
50% percentile IM
75% percentile IM
V10 V30 V50 V60 V70 V80 V90
Overflow volume. Covadonga Tank
0
250
500
750
1000
1250
1500
1750
2000
0 5 10 15 20 25
Rainfall volume event (mm)
Ove
rflo
w v
olum
e (m
3 )
25% percentile IM
50% percentile IM
75% percentile IM
V10 V30 V50 V60 V70 V80 V90
Por otra parte, se obtienen los siguientes indicadores del funcionamiento del sistema: probabilidad de
entrada en carga de los colectores, valor esperado del caudal máximo, probabilidad de vertido al medio
de un depósito y valor esperado del volumen vertido.
Caudal de
tiempo seco
TANQUE
DSU
ME
DIO
RE
CE
PT
OR
EDAR
CO
LEC
TO
R
IN
TE
RC
EP
TO
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CUENCA URBANA
PROPUESTA DE TRATAMIENTO DE EFLUENTES DE TANQUES DE TORMENTA MEDIANTE SISTEMAS DE HUMEDALES ARTIFICIALES. M. Martín Monerris y C. Hernández Crespo (IIAMA-UPV) Línea prioritaria C. Riesgo asociado a la escorrentía urbana INTRODUCCIÓN. En el diseño de depósitos de tormenta, es factible contar con sistemas de tratamiento parcial cuyo objetivo es reducir la carga contaminante antes de su evacuación. Dependiendo del destino de esta evacuación el tratamiento puede ser más o menos completo, pero su complejidad también depende de las características del agua a tratar, el objetivo de calidad que se busque a la salida y del número de eventos anuales que generen intercepción: no tiene mucho sentido instalar sistemas de tratamiento complejos si el agua del depósito va a ser reconducida a una EDAR o se genera pocas veces al año si no se dirige a zonas sensibles. Una opción a considerar consiste en la instalación de un sencillo sistema de tipo físico-químico: una coagulación-floculación seguida de sedimentación (o directamente una simple sedimentación mediante sistemas compactos) y posteriormente dirigir el agua tratada hacia un sistema de Humedales Artificiales. El Filtro Verde se diseñaría con el objetivo de reducir la materia orgánica y los nutrientes solubles, más el material particulado que no hubieran sedimentado previamente. ÁMBITO DE ESTUDIO. La propuesta se dirige, como caso de aplicación práctico, a los depósitos de retención previstos en el sistema de saneamiento del entorno de l’Albufera de Valencia. Es previsible que dichos depósitos cuenten con un sistema de reducción de sólidos suspendidos, pero es posible que su efluente no cumpla las normas para ser vertido a zonas sensibles. Su evacuación en un breve lapso de tiempo hacia una EDAR puede llegar a colapsarla, por lo que es interesante buscar alternativas. Una opción para su gestión sería la de diseñar y construir un sistema de Humedales Artificiales (de flujo subsuperficial, superficial, o combinación de ambos) en el recorrido hacia el lago, de manera que el efluente resultante pudiera ser aportando al mismo y así complementar sus necesidades hídricas. ACTIVIDADES REALIZADAS. En la actualidad, un equipo de investigadores del IIAMA de la UPV está llevando a cabo la monitorización y el control operativo del sistema de Filtros Verdes del Tancat de la Pipa, a cargo de la Confederación Hidrográfica del Júcar (ver http://www.mma.es/portal/secciones/biblioteca_publicacion/publicaciones/revista_ambienta/n83/index.htm ). Dicho Filtro Verde consta de una serie de parcelas cultivadas con enea. El agua que se está tratando en el Filtro procede del propio lago, cuyo nivel de eutrofización es tal que aporta los nutrientes necesarios para el crecimiento de las plantas.
RESULTADOS. Aunque todavía es pronto para evaluar el rendimiento del Filtro Verde, puesto que aún se está en la fase de puesta en marcha y crecimiento de las plantas (el Filtro comenzó a funcionar a mediados de febrero de 2009), se ha observado hasta el momento una eliminación media del 80% del Nitrógeno Total y del 50% de Fósforo Total, entre otras variables de calidad del agua controladas. CONCLUSIONES. De lo expuesto se infiere que la extrapolación de esta experiencia a las aguas efluentes de un tanque de tormenta no es compleja y los resultados pueden ser muy esperanzadores. La instalación de Filtros Verdes de este tipo en el Parque Natural de l’Albufera puede aportar aguas de buena calidad al lago y es ambientalmente respetuosa.
