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La Clave | Investigación aplicada en la ingeniería 2
CALA: Mejora de la seguridad hidrológica
Víctor Flórez Casillas
FCC Construcción, ETSI Caminos, Canales y Puertos de UPM y Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería (CIMNE)
Begoña Labalde Martínez
FCC Construcción, ETSI Caminos, Canales y Puertos de UPM y Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería (CIMNE)
Fernando Salazar González
FCC Construcción, ETSI Caminos, Canales y Puertos de UPM y Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería (CIMNE)
Miguel Ángel Toledo Municio
FCC Construcción, ETSI Caminos, Canales y Puertos de UPM y Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería (CIMNE)
Rafael Morán Moya
FCC Construcción, ETSI Caminos, Canales y Puertos de UPM y Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería (CIMNE)
Síntesis de las principales conclusiones obtenidas en el proyecto de investigación Mejora de la seguridad hidrológica e incremento de la capacidad de embalse de presas de fábrica mediante la implementación de canales laterales de recogida de vertidos (CALA), que ha conseguido reunir e interesar tanto a la universidad y a los centros de investigación como a las empresas. Constaba de una importante fase de ensayos que han culminado en una implementación en forma de herramienta de cálcu-lo que permite la optimización de protecciones del pie de presa generados por sobrevertidos en presas de fábrica o la ampliación de capacidad de su aliviadero. La herramienta obtenida permite ayudar a la toma de decisiones tanto en fase de diseño de proyecto nuevo como en fases posteriores de adaptación a nuevas normativas o situaciones de mejora de seguridad aportando una solución novedosa y sencilla.
Palabras clave: Modelo físico, modelo matemático, presa de fábrica, aliviadero, cuenco amortiguador, dientes, cavitación, turbulencias, longitud de vertido, cajeros laterales.
The article synthesizes the main conclusions obtained in the research project «Improving Hydrological Safety And Increasing The Reser-voir Volume Of Masonry Dams Through The Installation Of Highly Convergent Chutes For Spillway Flows (CALA)». Such project has managed to bring together and interest both the university and research centers as well as the companies. It consisted of an important phase of tests that have culminated in an implementation in the form of a software that allows the optimization of solutions to issues generated by overtopping in masonry dams and that helps decision-making both in the design phase of a new project as well as in later phases of adaptation to new regulations or safety improvement situations, providing an innovative and easy-to-use solution.
Keywords: Physical model, mathematical model, concrete factory dam, spillway, stilling basin, teeth, cavitation, turbulence, length of discharge, lateral chutes.
A principios de 2016, en el ámbito del Programa Estatal de Investigación, Desarrollo e Innovación Orientada a los Retos de la Sociedad, en concreto, en la Convocatoria Retos-Colaboración 2016, se presentó el Proyecto de Investigación «Mejora de la seguridad hidrológica e incremento de la capacidad de embalse de presas de fábrica mediante la implementación de canales laterales de recogida de vertidos (CALA)», que respondía al Reto 5 en Acción Sobre Cambio Climático y Eficiencia en Utilización de Recursos y Materias Primas, denominado Seguridad de las Infraestructuras Hidráulicas.
Para abordar este Proyecto se reunió a un grupo multidisciplinar compuesto por socios industriales e investigadores que han conseguido desarrollarlo con éxito para todos.
Los participantes fueron: CITECHSA (coordinador), FCC Construcción, el Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería (CIMNE) y la ETSI Caminos, C. y P. de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). El Proyecto incluyó una parte de investigación experimental realizada por la UPM en el Laboratorio de Hidráulica de la ETSI de Caminos, C. y P. con el desarrollo de modelos físicos en los que se ensayaron las diferentes hipótesis que conformaron la investigación y que dieron forma al modelo numérico realizado por CIMNE. FCC Construcción dio apoyo teórico y práctico en lo referido a las modificaciones a realizar y a la interpretación de resultados. El proyecto finalizó en 2019 con la entrega de la documentación requerida y la presentación de la herramienta de cálculo.
Objetivos del proyecto
El Proyecto se planteó partiendo de la idea de habilitar el vertido por coronación de presas de fábrica de sección convencional. Esto permitiría aumentar la capacidad de vertido de la presa al considerar una mayor longitud de vertedero. Era necesario recoger y redirigir el sobrevertido a las zonas de desagüe habilitadas, principalmente, al cuenco amortiguador, a fin de conseguir una importante disipación de la energía y encauzar el agua para su incorporación final al cauce.
Se trataba de una opción para presas de nuevo diseño y también para estructuras existentes, permitiendo de este modo mejorar su situación con respecto al incremento de las avenidas con algunas adaptaciones de poco calado.
Esta opción es motivo de interés tanto para las fases de construcción (FCC Construcción) como para las de mantenimiento y explotación.
Desarrollo de la investigación
Una vez que los objetivos del Proyecto estuvieron claros se establecieron los criterios de diseño para llevar a cabo la investigación, orientando los ensayos a una obtención de resultados acotados por los principios fundamentales de la hidráulica clásica. También era importante conocer las limitaciones del modelo físico y acotar los ensayos a desarrollar a hipótesis significativas para obtener conclusiones valiosas de cara a establecer criterios de diseño sobre este tipo de aliviaderos.
La investigación se desarrolló, como se ha comentado, a partir de un modelo físico realizado en las instalaciones de la UPM (véase la imagen superior de la derecha).
El modelo físico constaba de una presa de gravedad con taludes clásicos, vertical aguas arriba, y 0.8H:1.0V aguas abajo; un aliviadero de 1.5 m de altura sobre el cuenco, y un cuenco de disipación de 1.0 m de ancho, 0.5 m de alto y 4.0 m de longitud hasta una sección de control en la que se dispuso una compuerta para la regulación de los calados del cuenco (véase la imagen inferior de la derecha). El aliviadero contaba con una longitud máxima de 5.0 m en la que se había previsto un sistema que permitía simular longitudes de vertido entre 1.0 m (caso recto) y 5.0 m (con 2.0 m de vertido adicional en cada lateral, pudiendo variarse estos en escalones de 0.5 m).
Se utilizaron cuatro parejas distintas de cajeros para poder analizar otras tantas inclinaciones α respecto a la horizontal: configuración A con α = 90° (cajeros verticales, para simular aliviaderos rectos convencionales); configuración B con α = 47°; configuración C con α = 28° y configuración D con α = 10°. Además, para cada una de estas configuraciones se estudiaron tres profundidades P de llegada de los canales sobre la solera del cuenco: de 0,0 m, 0,1 m y 0,2 m.
La fase de ensayos (véanse imágenes de la izquierda) permitió definir un criterio objetivo sobre la disipación de energía aplicable a los cuencos de aliviaderos con cuenco amortiguador paralelo al canal de aliviadero; de este modo se consiguió tener una idea sobre la disipación que se logra con este tipo de aliviaderos en cuencos diseñados para formación de resalto hidráulico ya que se obtuvieron datos con los que calibrar el modelo y validar a posteriori la herramienta empleada en el cálculo numérico.
Se realizaron varias campañas con un total de 649 ensayos en los que se combinaron los diferentes parámetros geométricos, tales como las diferentes longitudes de vertido, el porcentaje de reparto entre los vertidos de las zonas centrales y laterales, y distintos ángulos en los cajeros laterales de recogida de varios caudales (véase infografía de abajo).
Se colocaron sensores de presión dinámica en la solera del cuenco amortiguador que recogían registros correspondientes a cada uno de los ensayos (véase imagen siguiente). Según se fueron desarrollando los ensayos, surgieron nuevas actuaciones muy interesantes a tener en cuenta y que se incluyeron también en el estudio mediante el modelo físico.
Análisis de resultados
Del análisis de los resultados de los ensayos se dedujo que la disipación por el impacto de los chorros laterales es importante y que es posible conseguir una reducción de la longitud del cuenco amortiguador a partir de esta disipación. Por lo tanto, el caudal que circula por los aliviaderos laterales influye de forma directa en la disipación de la energía, de modo que, a mayor caudal por canal lateral, mayor disipación. Esto se traduciría en una ventaja económica frente a los aliviaderos de vertido frontal siempre que el coste de los cajeros laterales de recogida no resulte superior al ahorro conseguido en el cuenco amortiguador.
También se observaron relaciones entre la incidencia de los chorros laterales y la estabilidad del resalto en formación de modo que, cuanto mayor es el caudal recogido por los canales laterales, antes se consigue la estabilidad del resalto, ya que en el proceso de incidencia de los chorros se conseguía disipar gran parte de la energía.
Otro elemento que interviene en la formación del resalto es la altura del colchón de agua que se mantiene en el cuenco amortiguador, siendo el resalto más corto al contar con colchones de agua mayores.
Los ensayos en modelo físico se correspondieron con casos de vertido simétrico. El ángulo de incidencia entre los chorros laterales procedentes de los cajeros convergentes tiene influencia en la estabilidad de la zona de disipación, siendo más efectivas las incidencias en las que los chorros laterales inciden de forma más frontal.
Se ha estudiado también el comportamiento de los cuencos dentados en la formación de los resaltos y en la estabilidad de los mismos. La presencia de los dientes en la zona de entrada del flujo al inicio del cuenco amortiguador tiene influencia en cuanto a la longitud y la estabilidad del resalto. También se demostró que la posición y la longitud de los dientes afectaba a la formación del resalto.
Distintas geometrías estudiadas con respecto a la incorporación de caudales en cabecera
Datos registrados por los sensores en la solera del cuenco
CALA ha permitido profundizar en el conocimiento sobre la disipación de energía de aliviaderos con cajeros altamente convergentes
Finalmente se han incluido dientes oblicuos enfrentados al flujo de salida de los canales laterales, que disipan este flujo en primera línea. Todo ello favoreciendo la estabilidad de la formación del resalto y consiguiendo que la longitud del cuenco sea la óptima.
Finalmente se estableció un procedimiento de cálculo de los elementos que conforman el proyecto y que sigue las pautas siguientes:
- Cálculo de caudales de vertido, incluyendo la laminación aportada por la cuenca y el vertedero sobre la avenida de diseño.
- Cálculos de los canales laterales en régimen uniforme, teniendo en cuenta las restricciones que se consideren adecuadas: anchura de canal, longitud, pendiente, etc.
- Cálculo del cuenco amortiguador con ancho fijo igual al canal de descarga, incluyendo la posibilidad del empleo de dientes tanto a la entrada del cuenco como a la salida de los canales.
Confección de herramienta de cálculo
A partir de los resultados obtenidos de los ensayos físicos, se implementó la herramienta de cálculo numérico que permite diseñar y definir una geometría del aliviadero y del cuenco amortiguador, empleando una interfaz gráfica en el entorno GiD (véase infografía de la derecha). A continuación, se generaba una malla de elementos finitos parar poder acometer el cálculo hidráulico del sistema planteado y que asignaba automáticamente de manera autónoma las condiciones de contorno para su simulación numérica en el entorno Open Source Kratos-MultiPhysics (imagen de la derecha).
Finalmente se han integrado una serie de utilidades para la visualización de los resultados más relevantes para el diseño de aliviaderos (infografía de la derecha), como pueden ser los rebases, la superficie libre, la detección de velocidades erosivas a la salida del cuenco, las zonas de presiones negativas (cavitación), o la determinación de fuerzas dinámicas en dientes de impacto y cajeros laterales, entre otros.
Se trata de una interfaz cómoda y muy visual que permite observar los problemas que pueda presentar el modelo propuesto para poder modificar los parámetros de partida y conseguir óptimos resultados.
Entorno Open Source Kratos-MultiPhysics
El proyecto ha basado su éxito en la interactuación de un grupo multidisciplinar
Conclusiones
El desarrollo del Proyecto de Investigación CALA ha permitido profundizar en el conocimiento sobre la disipación de energía de aliviaderos con cajeros altamente convergentes. La conclusión más relevante es que el funcionamiento de esta configuración de aliviadero permite incrementar la disipación de la energía gracias al efecto del choque entre los chorros procedentes de los cajeros laterales y del vertido frontal. Sus principales aplicaciones son la protección frente a la erosión del pie de presa de presas de fábrica frente al sobrevertido; la ampliación de la capacidad de desagüe del aliviadero; e incluso la ampliación de la capacidad de almacenamiento del embalse útil gracias al incremento de la longitud de vertido del aliviadero sobre el cuerpo de presa. En muchos casos puede resultar posible incrementar la capacidad de vertido sin necesidad de ampliar las dimensiones del cuenco amortiguador. El proyecto ha basado su éxito en la interactuación de un grupo multidisciplinar en el que cada miembro ha aportado su know-how, incluyendo ideas, aportaciones y soluciones y, a su vez, obteniendo beneficios específicos para todos los componentes del equipo.
Referencias
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