Revisión de la seguridad de presas en mediante el análisis de

modos de fallo potenciales.

Tema D (Estructuras hidráulicas), tema M (La protección

contra los riesgos hídricos)

Altarejos García, Luis

iPresas Risk Analysis

laltarejos@ipresas.com

Serrano Lombillo, Armando

iPresas Risk Analysis

aserrano@ipresas.com

Escuder Bueno, Ignacio

Universidad Politécnica de Valencia

iescuder@hma.upv.es

La presente comunicación recoge la revisión de la seguridad de las presas de Jigüey, Aguacate y Las Barías, en

la República Dominicana mediante análisis de modos de fallo potenciales. Esta revisión se ha elaborado en el

marco de los trabajos realizados por el Banco Mundial dentro de su proyecto de “Gestión de desastres y

recuperación de emergencia en la República Dominicana”. Este proyecto se ha puesto en marcha a petición del

Gobierno de la República Dominicana tras el paso de los huracanes Noel (octubre 2007) y Olga (diciembre de

2007), que provocaron daños significativos en diversas infraestructuras del país con especial incidencia sobre las

relativas a riego, suministro de agua potable, saneamiento de aguas residuales y producción y suministro de

energía eléctrica. El objetivo de los trabajos realizados ha sido identificar los aspectos clave con repercusión

sobre la seguridad de las presas analizadas para poder definir las medidas de reducción de riesgo más eficaces.

Estas presas, que forman parte del aprovechamiento del río Nizao, son operadas por la Empresa de Generación

Hidroeléctrica Dominicana (EGEHID), de propiedad estatal. EGEHID se integra dentro del Área de Generación

de la Corporación Dominicana de Electricidad.

La supervisión de la seguridad de las presas se ha realizado conjuntamente con el Instituto Nacional de Recursos

Hidráulicos (INDRHI), que además es el organismo encargado de estudiar, proyectar y programar todas las

obras hidráulicas y energéticas necesarias para el desarrollo integral de las cuencas hidrográficas de la República

Dominicana. Los trabajos realizados han incluido la visita a las presas y la celebración en Santo Domingo de un

taller de análisis de modos de fallo potenciales. Mediante el Análisis de los modos de fallo potenciales se

proporciona un mejor entendimiento y comprensión de los riesgos asociados a una presa. Para ello es preciso ir

más allá de las comprobaciones tradicionales, basadas en el cumplimiento de estándares de seguridad para unas

cuentas situaciones predeterminadas, e investigar más en profundidad la presa con la ayuda de un grupo de

personas con información y conocimientos sobre la operación y comportamiento experimentado por la presa en

el pasado, y sobre la base de toda la información disponible sobre la misma.

Gracias a los trabajos realizados se han propuesto una serie de actuaciones a corto y medio plazo, así como una

serie de consideraciones clave sobre las que basar la gobernanza de las presas en la República Dominicana.

Protección de pie de muelle mediante la utilización de colchones geosintéticos rellenos de hormigón.

(Estructuras hidráulicas), (Agua y ciudad) Patricia Amo Sanz, Ignacio Diego Pereda; Javier Santalla Prieto

Huesker Geosintéticos S.A.

pamo@huesker.es; idiego@huesker.es; jsantalla@huesker.es

Dentro de las estrategias de control de erosión, existen las soluciones basadas en estructuras rígidas (bloques de hormigón, losas, etc...), que son las mas comunes, y otras semirígidas basadas en el empleo de geosintéticos. En el caso de las segundas, la adaptabilidad al fondo marino y la continuidad del sistema de protección frente a los métodos tradicionales, favorecen la correcta ejecución y aportan un valor añadido a la solución.

Figura 1. Esquema de protección de pie de muelle

Uno de los geosintéticos mas empleado para este tipo de soluciones, consiste en un “colchón” relleno de hormigón que esta formado por dos capas paralelas de un geotextil tejido de alta resistencia unidas entre si con varias hebras, formando un cuerpo de encofrado para el hormigón. La longitud de las hebras separadoras determina el espesor del “colchón”.

Esta solución permite su instalación bajo el agua, lo que evita la necesidad que conlleva otro tipo de soluciones de trabajar obligatoriamente en seco. Y como material de relleno se puede emplear hormigón, arena o cualquier otro material que pueda ser bombeado, dependiendo de las necesidades y disponibilidad de la obra.

Se verán en el artículo los parámetros necesarios para el diseño de la estabilidad frente al deslizamiento de la manta de protección frente a la acción de la velocidad del agua producida por las hélices de los barcos que operen en la zona de protección.

Figura 2. Esquema del eje de la hélice

Este tipo de soluciones implican además de una sencilla instalación, reducción del tiempo de construcción, menos mantenimiento y durabilidad mayor que las estructuras rígidas, por lo que se presenta como una alternativa competitiva y económica, siempre que tengan detrás un exquisito y cuidado diseño.

Finalmente se comentaran dos casos prácticos de obras realizadas en los últimos años en las costas españolas.

Mejoras en los órganos de desagüe de las presas del río Turia (Valencia). Caso particular, escudo-tapón en el túnel

de desvío de la Presa de Loriguilla. (D: Estructuras hidráulicas.)

Vicente Ayllón Pérez - José Sáez Sáez (CHJ)

Francisco Heredia – Salvador Gómez (Proemisa S.L.)

Silvia Aguado Chanzá – José Manuel Navarro (MS Ingenieros S.L.)

Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente. Confederación Hidrográfica del Júcar.

Vicente.Ayllon@chj.es -- jmnavarro@msingenieros.com

El Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente ha llevado a término una serie de proyectos de renovación y mejora en los conductos de desagüe de las presas del Turia (Valencia). El artículo 32 del RTSPE, el cual dice textualmente en su apartado 32.1: “Durante la fase de explotación de la presa, el titular deberá realizar los trabajos de la obra civil, maquinaria e instalaciones, así como los de reparación y reforma necesarios, con la finalidad de mantener permanentemente los niveles de seguridad requeridos en la presa y de garantizar la operatividad del embalse” han originado estos trabajos.

Garantizar la operatividad, y por tanto la seguridad de los conductos de desagüe, forma parte de los necesarios niveles de seguridad requeridos en las presas. En particular, la renovación de los elementos de obturación de los conductos ha originado dificultades debido principalmente a la gran cantidad de lodos almacenados en las embocaduras de los mismos, desconocimiento del estado de las transiciones y su ya larga edad.

Para hacer posible la sustitución de los tableros de las compuertas Bureau de los desagües de fondo o túneles de desvío de las presas del río Turia [Arquillo de San Blas (Teruel), Benagéber (Valencia) y Loriguilla (Valencia)], han sido necesario trabajos de inspección, así como dragado y limpieza, tanto mecánica como manual y localizada por buzos con todo lo que ello implica.

En especial tenemos que destacar el caso particular del túnel de desvío de la Presa de Loriguilla, en donde se ha ideado un sistema de obturación seguro a modo de escudo-tapón que ha permitido realizar las operaciones de sustitución de los tableros con plena seguridad, economía y agilidad.

Tradicionalmente, para realizar operaciones de mantenimiento en el interior del conducto de desagüe se ha empleado un escudo apoyado sobre el paramento mojado de presa, que hacia las veces de escudo para el paso del agua y su estanqueidad quedaba garantizada por el contacto entre las bandas de caucho del propio escudo y el paramento de la presa, normalmente plano en las inmediaciones de la embocadura del mismo. En el caso del túnel de desvío de la presa de Loriguilla, estas condiciones junto con un estado poco fiable de la embocadura del mismo aconsejó, idear otro sistema de obturación removible, que permitiese realizar la operación de sustitución con garantías. De este modo de ideó, un obturador en forma de cuña, con ciertas singularidades de autoflotación y manejabilidad que han resultado a plena satisfacción.

Acercamiento del buzo con el tapón a través del túnel para su colocación en la transición hacia el tablero.

Obturación de la transición mediante el tapón autoflotante con un solo buzo.

Análisis numérico mediante OpenFOAM de un dispositivo experimental para la caracterización de resaltos hidráulicos

en flujos emulsionados.

Tema D (primera opción) Arnau Bayon Barrachina (1), Francisco J. Vallés Morán(2),

Ignacio Andrés-Doménech(2), P. Amparo López Jiménez(1) (1) Universitat Politècnica de València. Departamento de Ingeniería Hidráulica y Medio

Ambiente. Cno. de Vera s/n 46022 Valencia. (2) Universitat Politècnica de València. Instituto Universitario de Ingeniería del Agua y Medio

Ambiente (IIAMA). Cno. de Vera s/n 46022 Valencia.

palopez@upv.es

Las obras de disipación de energía en las presas de gravedad vertedero son elementos de importancia vital para el conjunto de la infraestructura, por cuanto deben garantizar una disipación de energía importante y un reintegro del flujo al cauce aguas abajo en condiciones hidráulicas subcríticas que mitiguen al máximo los problemas de erosión y descalce inducidos por velocidades excesivas.

La aireación forzada del flujo supercrítico en la rápida por medio de aireadores se presenta como una medida de actuación para mejorar el funcionamiento hidráulico de las obras de disipación de energía de pie de presa [1]. Además de disminuir o minimizar el riesgo de daños por cavitación en la propia rápida, el emulsionamiento aumenta el calado del flujo y le hace perder velocidad. Por esto, disminuye el número de Froude del flujo supercrítico de acceso al cuenco, generándose de este modo unas condiciones de entrada menos exigentes que redundarán en un resalto hidráulico más estable y con una mayor disipación de energía en el conjunto de la obra.

Resulta por tanto necesario, de cara al diseño de dichos aireadores y a la validación de la idoneidad del funcionamiento hidráulico de estas estructuras en presas existentes, analizar en qué medida la cantidad de aire emulsionado repercute en la respuesta del resalto hidráulico: relación de calados conjugados, longitud del resalto, etc.

Para alcanzar estos objetivos, se ha diseñado un nuevo dispositivo experimental (ver Figura 1-izquierda) basado en [2] que permita la caracterización de flujos supercríticos emulsionados y el posterior análisis de resaltos hidráulicos en este tipo de flujos, en un canal rectangular horizontal (resalto hidráulico clásico en flujo emulsionado), como paso previo a su caracterización en cuencos simples.

Figura 1. Izq.: dispositivo experimental para la caracterización de resaltos hidráulicos clásicos en flujos emulsionados; Der.: ejemplo de representación gráfica del campo de velocidades obtenido mediante CFD.

Los resultados experimentales se han contrastado posteriormente con un modelo numérico mediante técnicas de mecánica de fluidos computacional (CFD). La CFD consiste en el empleo de recursos informáticos para la aproximación numérica de las Ecuaciones de Navier-Stokes, esto es, las ecuaciones diferenciales con derivadas parciales que gobiernan el comportamiento de los fluidos para las que, en la mayoría de aplicaciones, no existe solución analítica [3].

Con ello, amén de describir el comportamiento de cualquier flujo en general, es posible inferir en el comportamiento de las estructuras hidráulicas antes mencionadas en función de su régimen de evacuación, así como hallar la geometría óptima según sus condiciones de funcionamiento.

El modelo propuesto se basa en el empleo la plataforma “OpenFOAM” [4], de código abierto y acceso libre, que incorpora diferentes módulos para la resolución de problemas de flujos bifásicos. Por su relativa sencillez computacional, se emplea un modelo de cierre RANS de las Ecuaciones de Navier-Stokes, concretamente, el modelo PIMPLE en régimen transitorio con distintos tipos de modelado de turbulencia: k-epsilon, k-omega, etc. Con ello, es posible obtener las condiciones de velocidad y presión instantáneamente en todo el dominio modelado durante el período simulado, así como otras variables de interés propias de los flujos multifásicos, como, en este caso, la distancia al resalto hidráulico, el calado conjugado mayor aguas abajo de éste, la disipación de energía que supone, etc.

A fin de modelar el flujo de este problema, de naturaleza bifásica, se emplea el método VoF (“Volume of Fluids”), que permite aproximar las condiciones de un flujo compuesto por dos fluidos separados por una interfaz [5].

Dicho modelo se basa en la resolución de una ecuación adicional de transporte de una propiedad que indica en qué proporción cada uno de los dos fluidos ocupa cada elemento del dominio geométrico en cada instante. Ciertamente, no se define una interfaz entre fluidos en sentido estricto, sino que ésta viene dada implícitamente por un campo de valores entre 0 y 1 a lo largo de todo el dominio, discretizado mediante una malla como la de la Figura 1-derecha.

Pese a su sencillez, este método arroja generalmente buenos resultados a costes computacionales relativamente bajos, como demuestra [6], que consiguió modelar satisfactoriamente un aliviadero de presa empleando el método “VoF” implementado en un modelo RANS k-epsilon.

El módulo de “OpenFOAM” empleado en el presente trabajo permite también resolver los efectos causados por la tensión superficial en la interfaz entre ambos fluidos y objetos sólidos. Sin embargo, dada la relativa poca trascendencia de este tipo de fuerzas en un problema de estas características, no es de esperar que esta variable ejerza una gran influencia sobre los resultados.

La validación del modelo se lleva a cabo por contraste con los datos experimentales obtenidos gracias un modelo físico desarrollado por el Laboratorio de Hidráulica y Obras Hidráulicas de la Universidad Politécnica de Valencia.

Referencias

[1] Fernández Bono, J. F. y Vallés Morán, F. J., “Criterios metodológicos de adaptación del diseño de cuencos de disipación de energía a pie de presa con resalto hidráulico, a caudales superiores a los de diseño”. XXII Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Ciudad Guayana, Venezuela, 2006.

[2] Kramer, K., "Development of aerated chute flow". PhD Thesis. Zürich, 2004.

[3] Anderson, J. D.; Grundmann, R.; Dick, E.; Degrez, G. y Vierendeels, J., “Introduction to Computational Fluid Dynamics”, Von Karman Institute for Fluid Dynamics, 2010.

[4] The OpenFOAM Fundation, “OpenFOAM: The Open Source CFD Toolbox User Guide”, The Free Software Foundation Inc., 2011.

[5] Hirt, C. y Nichols, B., “Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries”, Journal of Computational Physics , 1981, 39, 201 – 225.

[6] Zhenwei, M.; Zhiyan, Z. y Tao, Z., “Numerical Simulation of 3-D Flow Field of Spillway based on VOF”, Method Procedia Engineering , 2012, 28, 808 – 812.

Estudio de socavación aguas abajo de la presa Paute-Cardenillo.

Tema D, tema A Luis G. Castillo E.1, José Mª Carrillo S.1

1Universidad Politécnica de Cartagena. Grupo de I+D+i Hidr@m

luis.castillo@upct.es; jose.carrillo@upct.es

La presa arco de doble curvatura Paute-Cardenillo (propiedad de Celec Ep-Hidropaute, Ecuador) tiene una altura máxima hasta cimientos de 135 m y tiene una longitud de 270 metros aproximadamente. El embalse subtiende una longitud de 2,98 km con el nivel máximo normal (NMN) ubicado en la cota 924,0 msnm.

Dispone de un vertedero en lámina libre controlado por clapetas y diseñado para desagüar un caudal correspondiente al periodo de retorno de 5 años (820 m3/s), constando el aliviadero de 5 vanos de 8,20 x 4,5 m.

Una de las alternativas de diseño incluye como aliviadero de servicio o de medio fondo 4 orificios casi simétricos. A fin de cumplir de manera óptima con el concepto de aliviadero de servicio, y para asegurar un funcionamiento adecuado en caso de aberturas parciales, estos 4 orificios son controlados por compuertas radiales de dimensiones moderadas: 4,6 x 5,40 metros.

Operando en el NMN, la capacidad del desagüe intermedio es de 3000 m3/s, que corresponde a la crecida de 500 años de periodo de retorno. El aliviadero de medio fondo, operando conjuntamente con el vertedero de lámina libre logra una capacidad de 3820 m3/s que corresponde a una crecida de 1000 años de periodo de retorno.

Para cubrir crecidas de mayores periodos de retorno, se ha previsto el uso de los desagües de fondo que está conformado por 4 conductos de sección rectangular (5,0 x 6,8 m) controlados por compuertas radiales. El área total de las aberturas es 136 m2, valor ligeramente mayor al área de circulación del río en su régimen natural (117,6 m2) con el caudal de crecida de período de retorno anual de 400 m3/s.

Operando con el nivel NMN, la capacidad de desagüe considerando abiertos todos los órganos de desagüe es capaz de evacuar la crecida máxima probable de 8100 m3/s.

El lecho del río está conformado por una capa de 24 m de material aluvial, aguas abajo del cual se dispone una capa de 10 m de roca meteorizada; así la roca sana se sitúa a 34 m de la cota original del terreno.

Gráfico 1. Presa y cerrada del proyecto Paute-Cardenillo.

Las erosiones aguas abajo de la presa debido al desagüe de medio fondo y a la operación del aliviadero de superficie se estudian con tres procedimiento complementarios:

Cálculo con fórmulas obtenidas en modelos y prototipos. Cálculo con una metodología semiempírica de fluctuaciones de presión - índice de erosionabilidad. Cálculo con programas tridimensionales de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD).

En el gráfico 2 se observa como las erosiones producidas por el desagüe de medio fondo socavarían el aluvial del lecho del cauce y alcanzarían la roca meteorizada (24 m de profundidad desde la cota actual del cauce) a partir de un caudal de 1000 m3/s (crecida con un período de retorno de 10 años). La roca sana se alcanzarían (34 m de profundidad) con un caudal de unos 1820 m3/s, correspondiente a una crecida semejante a un período de retorno de 50 años.

Gráfico 2. Socavación del aluvial y de la roca meteorizada con un caudal de 1820 m3/s.

En el siguiente gráfico se indica la geometría en planta y el corte longitudinal del cuenco excavado por los desagües intermedios, funcionando con el caudal correspondiente a un periodo de retorno de 50 años. Las dimensiones están en el rango de los resultados obtenidos con las formulaciones de Martins (1975).

Gráfico 3. Geometría en planta y sección longitudinal del cuenco excavado con un caudal Q50=1900 m3/s.

Influencia de la escala en simulaciones numéricas de aliviaderos de vertido libre. Proyecto EMULSIONA

Tema D, tema A Luis G. Castillo E.1, José Mª Carrillo S.1

1Universidad Politécnica de Cartagena. Grupo de I+D+i Hidr@m

luis.castillo@upct.es; jose.carrillo@upct.es

En los últimos años se ha producido un incremento en la magnitud de las avenidas de diseño a nivel mundial, lo que conlleva la reevaluación de la capacidad de los aliviaderos y de los escenarios de operación de las presas. En muchos casos se ha puesto de manifiesto que la capacidad de los aliviaderos es inadecuada.

La remodelación de los órganos de desagüe es una labor compleja tanto desde el punto de vista técnico como económico, por lo que el ente explotador puede llegar a considerar asumible el desbordamiento por coronación durante los eventos extremos. En estos casos surgen interrogantes sobre los problemas de erosión y socavación aguas abajo. Se han realizado diferentes estudios del funcionamiento de las infraestructuras en caso de desbordamiento, con el objetivo de reforzar adecuadamente las presas existente y evitar su destrucción (Annandale, 2006; Wahl et al., 2008).

En el reintegro de los caudales desaguados, la disipación de energía se produce principalmente por el desarrollo de la turbulencia. En las dos tipologías básicas (cuencos de resalto y cuencos de vertido en caída libre) aparecen fenómenos de alta turbulencia y aireación que hacen difícil llevar a cabo su caracterización basándose sólo en las metodologías clásicas: modelos reducidos y fórmulas empíricas.

Teniendo en cuenta esta problemática, y partiendo de los distintos resultados experimentales existentes, se están llevando a cabo trabajos de investigación en el laboratorio de Hidráulica de la Universidad Politécnica de Cartagena, donde se analizan velocidades, presiones, parámetros turbulentos y tasas de aireación.

Gráfico 1. Infraestructura para el estudio de chorros de vertido libre.

Los programas de dinámica de fluidos computacional (CFD) se basan en la solución numérica de las ecuaciones de Navier-Stokes y promediado de Reynolds (RANS), junto con modelos de turbulencia de diferentes grados de complejidad. Resuelven la interacción entre los diferentes fluidos, tales como flujos bifásicos aire-agua y constituye una nueva y potente herramienta que sirve de complemento a los modelos reducidos.

Existen diversos estudios de aliviaderos con la metodología CFD con muy buenos resultados, en los cuales se han utilizando diferentes modelos de turbulencia viscosidad de remolino. Sin embargo, el estudio de desbordamiento de presas y el impacto del chorro rectangular no ha sido suficientemente abordado.

En un estudio de modelo reducido se consideran que dos sistemas físicos, el modelo a escala y el sistema real o prototipo, presentan comportamientos semejantes respecto a determinados fenómenos. Con ciertas limitaciones, las medidas efectuadas sobre algunas magnitudes físicas en el modelo permiten anticipar el comportamiento del sistema real mediante un proceso denominado “extrapolación modelo-prototipo”.

Cuando se construyen modelos físicos a escala, al reducir el tamaño se producen efectos de escala, como es el caso de la gravedad, que afecta por igual en la realidad como en el modelo, no viéndose reducida, por lo que se trabaja con fuerzas dominantes.

Para que los resultados obtenidos en un modelo a escala puedan ser tomados como representativos de la realidad, debe cumplir las leyes de semejanza dinámica.

En los estudios de obras hidráulicas las principales fuerzas a considerar son: Fuerzas de inercia (Fi), Fuerzas de gravedad (Fg), Fuerzas de viscosidad (Fμ), tensión superficial (Fσ), Fuerzas de elasticidad (Fe) y Fuerzas de presión (Fp).

No es posible obtener semejanza total entre modelo y prototipo, por lo que deben emplearse semejanzas parciales en las que se reproduzcan adecuadamente las fuerzas dominantes, admitiendo una cierta desviación de las secundarias. En fenómenos de flujo relacionados con presas predominan las fuerzas de gravedad.

En este estudio, las simulaciones numéricas ha sido llevar a cabo usando diferentes relaciones de escala del dispositivo de laboratorio de acuerdo con la ley de semejanza de Froude (1:1; 1:10; 1:20 y 1:40).

Los resultados de las simulaciones numéricas se comparan con la metodología paramétrica propuesto por Castillo (2006, 2007) para la evaluación de la acciones hidrodinámicas a pie de presa, revisado por el Castillo y Carrillo (2011, 2012), y con nuevas medidas de laboratorio.

Gráfico 2. Chorro de vertido libre obtenido con CFD.

Comparativa del flujo de agua clara y con sedimentos a través de sistemas de captación de fondo utilizando datos de

laboratorio y modelación numérica CFD

Tema D, tema M Luis Gerardo Castillo Elsitdié, José María Carrillo Sánchez, Juan Tomás García Bermejo

Universidad Politécnica de Cartagena. Grupo de I+D+i Hidr@m

luis.castillo@upct.es, jose.carrillo@upct.es, juan.gbermejo@upct.es

1 RESUMEN

Los sistemas de captación de fondo consisten en una serie de rejas situadas en el lecho del cauce con la intención de que el agua sea captada una vez penetre a través de las mismas. Estas estructuras son utilizadas en ríos de montaña, de fuertes pendientes y lechos irregulares en los que se encuentra un importante transporte de sedimentos y caudales de avenida. Las rejas se diseñan para captar la mayor cantidad de agua posible a la vez que deben retener la menor cantidad de sólidos. Actualmente existen algunos estudios acerca del grado de oclusión de la reja como consecuencia de la deposición de sólidos sobre éstas, o de la cantidad de sedimentos que se introducen en la reja y son transportados a lo largo del canal de derivación. Así, un objetivo de los estudios que se está llevando a cabo en el Laboratorio de Hidráulica de la Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT) es optimizar este tipo de sistemas de captación para utilizarlos en flujos torrenciales y discontinuos con una alta concentración de sedimentos.

La metodología de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD), que se basa en una solución numérica de las ecuaciones de Navier-Stokes y promediado del número de Reynolds (RANS), junto con modelos de turbulencia de distintos grados de complejidad, simulan la interacción entre diferentes fluidos, como los flujos bifásicos agua-sedimento que aparecen en los sistemas de captación de fondo.

Esta comunicación compara los resultados del flujo obtenidos con agua clara y con sedimentos a través de una reja de fondo utilizando algunos resultados de laboratorio y una metodología CFD.

2 INTRODUCCIÓN 2.1 MODELO FÍSICO

En el laboratorio de Hidráulica de la Universidad Politécnica de Cartagena se dispone de una infraestructura de un sistema de captación de fondo, consistente en un canal de 5 metros de longitud y 0,50 m de ancho, en el que se coloca, al final, una reja que puede adoptar diferentes pendientes. Además, tiene un canal de recogida del caudal captado por la reja y de una arqueta de derivación que recoge el agua no captada . La entrada de caudal se mide mediante un caudalímetro electromagnético y los caudales no captados por la reja, se miden mediante un vertedero triangular. Las rejas fueron construidas de aluminio con sección transversal en T, de longitud 0,90 m y que se colocan al fondo del canal disponiéndose de tres configuraciones que se diferencian en el espaciamiento y espesor de las barras, existiendo diferentes índice de huecos o porosidad (m=0,16, 0,22 y 0,28). Los caudales específicos analizado son 53,8; 77,0; 114,6; 155,4 l/s.m.

En este estudio se han medido tanto el perfil adoptado por la lámina de agua como los caudales captados y no captados por la reja, tanto a nivel total como por unida de longitud de reja.

Estos valores, junto con los obtenidos en un ensayo de laboratorio de iguales características llevado a cabo por Noseda (1956), son utilizados para validar un modelo CFD.

2.2 MODELO NUMÉRICO

FLOW-3D utiliza un esquema de resolución en diferencias finitas de las ecuaciones diferenciales de Navier Stokes, aplicando la técnica de volúmenes de control a la malla del dominio del flujo. Para complementar la

solución numérica se ha utilizado un modelo de turbulencia tipo renormalizado (RNG) k-ε. Este modelo de turbulencia aplica métodos estadísticos para la obtención de ecuaciones promediadas para los términos de turbulencia, como son la componente turbulenta de la energía cinética y su tasa de disipación.

Las condiciones de contorno del modelo son el caudal entrante, los calados, y las distribuciones de presiones hidrostáticas aguas arriba de la reja. En la parte del fondo hueco de la reja se adoptaron condiciones de contorno de salida libre debido a la imposibilidad de adoptar condiciones de contorno de presión hidrostáticas. Se adoptó además la simplificación de simetría respecto al plano vertical central.

El modelo de sedimentos considera dos situaciones: movilización de partículas y transporte. La primera tiene lugar en la interfase entre la superficie líquida y sólida y genera el transporte de las partículas cuando el esfuerzo que actúa sobre el fondo supera un valor crítico, por tanto la cantidad de partículas movilizada y levantada es proporcional a la tensión de corte. La componente de transporte simula el movimiento de las partículas sólidas en el fluido y, adicionalmente, el modelo incorpora un módulo para simular el comportamiento de los sólidos cuando fluyen a elevadas concentraciones. La densidad y la viscosidad del fluido se calculan a partir de la concentración de sedimentos.

2.3 CARACTERIZACIÓN DE SEDIMENTOS UTILIZADOS

Los diámetros característicos de los materiales utilizados para la simulación son arenas de d50 =5 mm, limos de d50 =1x10-2 mm, y una mezcla de ambos materiales en la misma proporción. Al principio de la reja se han simulado diferentes concentraciones de sedimentos entre 1 y 10%.

La Fig. 1 muestra los resultados para una reja de longitud L=0,50 m y espaciamiento entre barras de b1= 5,70 mm y porosidad m=0,16. Podemos ver que con una concentración de sedimentos del 10%, el caudal derivado (105,40 l/s/m) se reduce casi al 50% con respecto al flujo que se derivaría con agua clara (198.30 l/s/m).

0

25

50

75

100

125

0 50 100 150 200

qd(l/s/m

)

q1 (l/s/m)

Clean waterMix 1%Mix 3%Mix 5%Mix 10%

Figura 1. Capacidad de derivación del sistema de captación considerando diferentes concentraciones de sedimentos, b1 = 5,70 mm, m = 0,16, L = 0,50 m.

3 CONCLUSIONES Existen pocos estudios que evalúen los efectos de los sedimentos en los sistemas de captación de fondo. Por tanto es importante llevar a cabo más estudios experimentales y numéricos. En este comunicado se ha validado la precisión de los resultados numéricos obtenidos mediante un modelo con metodología CFD como herramienta para el diseño de sistemas de captación de fondo con agua clara. El paso siguiente será la validación numérica y experimental en el caso de flujos con sedimentos.

Balances de energía y cantidad de movimiento para calcular el desagüe por compuertas planas

Tema D (primera opción), tema B (segunda opción) Oscar Castro-Orgaz y Luciano Mateos Iñiguez

Instituto de Agricultura Sostenible, CSIC

oscarcastro@ias.csic.es

Las compuertas sumergidas, cuya función primaria es el control del flujo del agua en canales abiertos, pueden usarse también para la medida del caudal. La predicción de las características de desagüe bajo estas compuertas se realiza comúnmente resolviendo de forma simultánea una forma simplificada de los balances de energía y cantidad de movimiento, lo que se conoce como método EM. Este método asume que el remolino del resalto hidráulico tras la compuerta es una zona estática con flujos netos de energía y cantidad de movimiento despreciables. En los cálculos se suele asumir también un coeficiente de contracción del chorro sumergido igual a 0.61. Investigaciones anteriores han encontrado que este método da unos resultados excelentes en algunos ensayos de laboratorio, si bien al ser aplicado a datos de campo es impreciso. En este trabajo se presentan los balances de energía y cantidad de movimiento generales para compuertas planas verticales, los cuales son usados para estudiar las implicaciones del método EM. En concreto, los efectos de las perdidas de carga y la recirculación del resalto hidráulico son evaluados y discutidos.

Central hidroeléctrica de bombeo La Muela II:

Montaje electromecánico y proyecto de construcción.

(Estructuras Hidráulicas) Julio Cervera Bravo

Director del proyecto de La Muela II y Jefe del Departamento de Explotación de Presas de Iberdrola Generación.

Jesús De Blas Calvo

Responsable del área civil del departamento hidroeléctrico en Iberdrola Ingeniería y Construcción.

José Navarro Torrijos

Jefe del Servicio Técnico y Programación del Mantenimiento de Generación Mediterráneo.

Juan Carlos Elipe Salmador Jefe del Servicio de Explotación de Presas de la zona Norte-Este.

Este artículo pretende describir las principales particularidades en la construcción y montaje electromecánico de la Muela II. Este ambicioso proyecto se constituye como la ampliación del actual aprovechamiento Hidroeléctrico de Cortes-La Muela que entró en servicio en1989. Con la puesta en marcha de esta nueva central, dicho aprovechamiento pasará a ser uno de los mayores complejos hidroeléctricos de Europa.

La Muela II es una central hidroeléctrica de bombeo puro de cuatro grupos con una potencia total instalada en generación de 850 MW y 740 MW en bombeo.

La central está situada en el rio Júcar a 50 Km de Valencia (importante núcleo de consumo) y a 11 km de la central Nuclear de Cofrentes. Tras la puesta en marcha de esta nueva instalación, el complejo hidroeléctrico de Cortes-La Muela constituido por la central de Cortes II (240 Mw en turbinación) y por la Muela I (630 Mw en turbinación y 540 Mw en bombeo), alcanzará una potencia total en turbinación de 1.720 MW y 1.280 MW en bombeo.

A grandes rasgos la nueva central estará constituida por: una tubería forzada subterránea, dos cavernas; una principal y otra de transformadores, un colector de conexión con el túnel de aspiración ya construido, un pozo de salida de cables de generación y otras obras accesorias.

La caverna principal albergará las cuatro unidades reversibles capaces cada una de turbinar 48 m3/s y bombear 36 m3/s. Los alternadores y transformadores de potencia están conectados a través de cuatro galerías por donde discurren las barras de generación en 14,5 kV. Desde la caverna de transformadores hasta la subestación existe un pozo vertical de 200 m por donde se evacua la energía mediante cables secos de 400 kV.

La construcción que comenzó en otoño del 2006 terminará el próximo año, sin haber producido ninguna incidencia significativa en la explotación de la central de la Muela I. Actualmente, en agosto del 2012, los trabajos se encuentran en la fase de montaje del equipamiento electromecánico y de la tubería forzada.

Utilización de válvulas de control de nivel de depósitos para facilitar la gestión técnica de sistemas de transporte de agua

a grandes distancias.

(Estructuras hidráulicas) Vicent B. Espert Alemany; Enrique Cabrera Rochera; Ricardo Cobacho Jordán; Enrique

Cabrera Marcet

Grupo ITA - UPV

vespert@ita.upv.es

Resumen

El transporte de agua a grandes distancias requiere en ocasiones de conducciones presurizadas combinadas con conductos en lámina libre. Para definir estrategias de regulación de estos sistemas se hace necesario simular el funcionamiento conjunto del mismo en condiciones de régimen transitorio. El problema viene definido por la necesidad de evitar tanto el vaciado como el desbordamiento de los depósitos de pequeña capacidad instalados en el sistema, sean éstos las arquetas finales de los conductos en lámina libre o los depósitos de rotura de carga entre conductos a presión. Se hace necesario para ello disponer de válvulas automáticas en las tuberías alimentadas por estos depósitos, cuya misión es mantener constante el nivel del agua en dichos depósitos para cualquier estado de funcionamiento de las estaciones de bombeo del sistema.

En estos sistemas las válvulas automáticas deberán funcionar bajo el control de un regulador PID cuya misión es mantener el nivel del agua en el depósito a controlar igual al valor de consigna. La ecuación de funcionamiento del regulador con estructura paralela responde a la expresión:

donde la función de error vale

siendo h(t) el nivel del agua en el depósito respecto de la cota de solera, y hc el nivel de consigna. La acción de control se define como

con (t) el grado de apertura de la válvula, en %, y r un grado de apertura de referencia.

El algoritmo de control definido por estas expresiones se ha implementado en el programa Allievi, desarrollado por el ITA de la UPV, el cual resuelve los transitorios hidráulicos en sistemas complejos constituidos por conductos a presión y en lámina libre, en los cuales se pueden disponer depósitos, estaciones de bombeo, turbinas, válvulas y dispositivos de protección. Para resolver el sistema de ecuaciones diferenciales que constituyen la formulación del flujo transitorio en conductos a presión se utiliza el método de las características, con rectas características de pendiente constante. En el caso de flujo transitorio en lámina libre se utiliza también el método de las características, pero con rectas características de pendiente variable, las cuales requieren de un proceso de interpolación al haber prefijado el incremento de tiempo de cálculo. En este programa, el acoplamiento entre conductos a presión y en lámina libre se realiza mediante depósitos de nivel variable.

Se ha utilizado el programa Allievi para simular el funcionamiento del trasvase Júcar-Vinalopó durante períodos largos (días o meses). Este trasvase está diseñado para transportar un caudal de 4’5 m3/s mediante conducciones con longitud total del orden de 80 km y desnivel geométrico de 650 m. Este sistema de transporte cuenta con cuatro impulsiones, dos túneles con funcionamiento en lámina libre, dos sifones (uno por cada túnel) y diversos depósitos, uno de ellos de rotura de carga. El objetivo de la simulación es determinar los parámetros de los reguladores PID que gobiernan el funcionamiento de las válvulas automáticas a instalar en el sistema, cuya

misión es mantener constante el nivel del agua en las arquetas de salida de los túneles y en el depósito de rotura de carga. La simulación se realiza teniendo en cuenta las siguientes condiciones de funcionamiento:

- El caudal de toma es variable con el tiempo - Las estaciones de bombeo se paran o se ponen en marcha según niveles del agua en los depósitos de

aspiración e impulsión - La puesta en marcha o parada de las estacione de bombeo están condicionadas a determinadas

consignas de discriminación horaria - Se permite o no el vaciado de los túneles en los períodos de parada del sistema

El resultado de estas simulaciones indica que es posible programar reguladores PID que gobiernen el funcionamiento de las válvulas automáticas necesarias para mantener constante el nivel del agua en los depósitos de pequeñas dimensiones, con objeto de evitar tanto su desbordamiento como su vaciado durante las operaciones normales de la instalación. La aplicación de este procedimiento a diferentes condiciones de funcionamiento del trasvase Júcar-Vinalopó permitirá definir las estrategias de gestión técnica de este sistema.

Análisis del flujo en la expansión lateral de la lámina de agua en aliviaderos escalonados sin cajeros laterales:

resultados del proyecto ALIVESCA Tema D. Estructuras hidráulicas

Soledad Estrella1; Martí Sánchez-Juny1; Josep Dolz1; María Domínguez2; Rafael Ibañez de Aldecoa2; Luis Balairon3.

1Instituto de Investigación Flumen UPC-CIMNE; 2DRAGADOS S.A.; 3Centro de Estudios Hidrográficos – CEDEX

soledad.estrella@upc.edu1; marti.sanchez@upc.edu1; j.dolz@upc.edu1; mdominguezd@dragados.com2; ribanez@Dragados-USA.com2; luis.balairon@cedex.es3.

1 Resumen En referencia al comportamiento hidráulico de aliviaderos escalonados con cajeros laterales, diferentes investigadores han estudiado los tipos de flujo que se producen sobre una rápida escalonada, los procesos de entrada de aire, los posibles efectos de presiones negativas vinculados al riesgo de cavitación, la disipación de energía producida por el escalonado, o la capacidad de descarga de la rápida. Así cabe mencionar, los trabajos de Boes y Hager (2003) , Chanson (2000), Sánchez-Juny (2001), Amador (2005), Felder y Chanson (2011) y Meireles et al. (2012).

Dichos estudios caracterizan aliviaderos escalonados con cajeros laterales. No obstante, se han encontrado algunos ejemplos de aliviaderos escalonados sin cajeros laterales, como la presa de “Hudson River” en Estados Unidos (Figura 1).

Aunque existe información de éste y otros casos similares, hasta la fecha se desconocen publicaciones dedicadas a la descripción del comportamiento hidráulico de aliviaderos escalonados sin cajeros laterales. Por esta razón este ha sido uno de los objetivos del proyecto ALIVESCA. 

Figura 1. Presa “Hudson River”- Estados Unidos Fuente: Informe final del proyecto ALIVESCA

2 Descripción del comportamiento hidráulico en aliviaderos escalonados sin cajeros laterales

La ausencia de cajeros laterales produce una expansión lateral de la lámina de agua y por tanto una disminución del caudal específico a lo largo y ancho del aliviadero.

Existe una zona a lo largo del aliviadero en que el caudal específico es igual al de vertido, como si existieran cajeros laterales (región amarilla en la Figura 2) y una zona afectada por la ausencia de los mismos (región azul en la Figura 2). Tal funcionamiento está condicionado el caudal específico de entrada (qe) y el ancho de vertido (b0).

En el estudio se han determinado los límites de dichas variables para las cuales a lo largo del contorno lateral derecho el caudal específico se mantiene igual al de vertido y, por lo tanto, el punto P de la Figura 2.a no se sitúa dentro del aliviadero, es decir, ocurre lo esquematizado en la Figura 2.b.

Figura 2. Esquema de la expansión lateral del flujo 

3 Metodología propuesta Con el fin de caracterizar el flujo en la expansión lateral de la lámina de agua, se analiza el comportamiento de diferentes variables hidráulicas como son: la concentración media de aire, el calado equivalente, la velocidad máxima, los perfiles de velocidad y concentración de aire y el campo de presiones.

Los resultados de las variables analizadas se presentan en dos zonas:

1. Zona no afectada por la ausencia de cajeros. (zona amarilla de la Figura 2.b). Los resultados de esta zona son comparables con las referencias bibliográficas antes mencionadas

2. Zona afectada por la expansión lateral de la lámina de agua. (zona azul de la Figura 2.b).

El resultado final permitirá entender el efecto de la ausencia de cajeros en el comportamiento hidráulico de las variables antes mencionadas.

A modo de ejemplo la Figura 3 muestra el comportamiento de la presión media adimensional (p//h), sobre la huella del escalón a lo ancho del aliviadero. En los gráficos (yc/h)e es la variable adimensional definida en la ecuación [1], donde qe es el caudal específico de entrada y h es la altura del escalón, por otro lado, x/B es la distancia transversal al eje de vertido.

[1] 

En la Figura 3e puede ver que las presiones medias disminuyen considerablemente a lo ancho del aliviadero. La Figura 3.a se refiere a la parte central del aliviadero (L/Lt=0.51) y Figura 3.b cuando nos situamos en la zona de flujo expandido al pie del aliviadero (L/Lt=1.00).

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

1.25

1.50

1.40 1.65 1.90 2.15 2.40

p//h

(yc/h)e

x/B=0 x/B=1/10 x/B=1/6

(a) L/Lt=0.51

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

1.25

1.50

1.40 1.65 1.90 2.15 2.40

p//h

(yc/h)e

x/B=0 x/B=1/10 x/B=1/6

(b) L/Lt=1.00

Figura 3. Efecto de la ausencia de cajeros en las presiones medias registradas en la huella del escalón

4 Referencias bibliográficas [1] Amador, A. (2005). Comportamiento hidráulico de los aliviaderos escalonados en presas de hormigón

compactado. UPC BARCELONATECH. [2] Boes, R. M., & Hager, W. H. (2003). Hydraulic design of stepped spillways. Journal of Hydraulic

Engineering, 129(9), 671-679. [3] Chanson, H. (2000). Hydraulics of stepped spillways: Current status. Journal of Hydraulic Engineering,

126(9), 636-636-637. [4] Felder, S., & Chanson, H. (2011). Energy dissipation and air entrainment on stepped spillways with non-

uniform cavity sizes. Brisbane, Australia. pp. 2412-2419. [5] Meireles, I., Renna, F. M., Matos, J., & Bombardelli, F. (2012). Skimming, nonaerated flow on stepped

spillways over roller compacted concrete dams. Journal of Hydraulic Engineering-ASCE, 138(10), 870-877.

[6] Sánchez-Juny, M. (2001). Comportamiento hidráulico de los aliviaderos escalonados en presas de hormigón compactado: Análisis del campo de presiones. UPC BARCELONATECH.

Distribución lateral del caudal específico en aliviaderos escalonados sin cajeros laterales: resultados del proyecto

ALIVESCA Tema D. Estructuras hidráulicas

Soledad Estrella; Martí Sánchez-Juny; Josep Dolz; Belén Marti-Cardona

Instituto de Investigación Flumen UPC-CIMNE

soledad.estrella@upc.edu; marti.sanchez@upc.edu; j.dolz@upc.edu

1 Resumen En la construcción tradicional de aliviaderos escalonados se diseñan unos cajeros laterales que guían el flujo de agua desde la coronación hasta el pie del aliviadero. Dichos cajeros son construidos con encofrados trepantes específicos, utilizando hormigón vibrado para su construcción y suponen una unidad de obra de costes y tiempos de ejecución significativos.

El proyecto ALIVESCA ha tenido como objetivo estudiar el comportamiento hidráulico de aliviaderos escalonados sin cajeros laterales mediante el estudio en modelo reducido. Para ello ha sido de principal interés cuantificar la expansión lateral del flujo, determinando la variación del caudal específico a lo largo y a lo ancho del vertido, en función del caudal específico de entrada y la altura del aliviadero.

2 Descripción cualitativa de la expansión lateral de la lámina de agua

Teniendo en cuenta que todo el ancho de la presa sería útil para el paso de agua, la ausencia de cajeros laterales produce una expansión lateral de la lámina de agua y por tanto una disminución del caudal específico a lo largo y ancho de la rápida escalonada.

La Figura 1 ilustra este comportamiento, se trata de una vista posterior del modelo donde se puede apreciar como la expansión lateral del flujo influye transversalmente en el llenado de los escalones. Claramente se observa que a determinada altura, en la zona encarada con la apertura del vertido el caudal circulante es mayor que en la zona más alejada hacia la izquierda. El ejemplo mostrado corresponde a un ancho de vertido en prototipo b0/B=1/3 y un caudal específico en prototipo al inicio del vertido qe=15 m3/s/m.

 Figura 1. Vista posterior de la expansión lateral respecto al llenado de los escalones.

Ensayo b0=15 m y qe=15 m3/s/m.

3 Metodología propuesta El modelo reducido ubicado en los laboratorios del Instituto Flumen opera bajo la semejanza de Froude. Se ha construido a escala 1:15 y representa un aliviadero prototipo de altura de presa (H) de 75 m, altura de escalón (h) de 1.20 m, pendiente (i) 0.8 y un ancho de paramento (B) de 45 m.

Partiendo de la descripción cualitativa se determinó que las variables que condicionan la expansión lateral son: el caudal específico a la entrada y la posición (altura) considerada. La distribución lateral del caudal específico se ha obtenido por combinación de medidas de aforo e información proveniente de imágenes.

La distribución de caudal por aforos se realizó utilizando tres canales uniformemente repartidos a lo ancho del pie del aliviadero, esto es una longitud de B/3 al pie de la rápida. La Figura 2 ilustra la disposición de los canales a pie de presa y la Figura 3 muestra el recrecimiento de los canales para obtener el aforo a diferentes alturas de aliviadero.

 

Figura 2. Canales para aforo a pie de presa en el modelo ALIVESCA

Figura 3. Extensión de los canales para aforar diferentes alturas

El análisis de imágenes sirvió para obtener la distribución transversal de caudal correlacionando la información de imagen con la medida puntual de aforos. Referencias a aplicación del análisis de imagen pueden encontrarse en Sánchez-Juny y Dolz (2005), Marti-Cardona et al. (2010) y Ruiz-Villanueva et al. (2011).

El método utilizado consiste en la obtención de videos frontales de cada ensayo recogiendo un mínimo de 240 fotogramas por ensayo a una frecuencia de30 fps. Utilizando un código de Matlab, la información de los 240 fotogramas se resume en una imagen promedio. La distribución de caudales por aforo se correlaciona entonces con las intensidades promediadas en los píxeles correspondientes (Figura 4).

 Figura 4. Ejemplo del análisis de imagen

El resultado es un método propuesto para relacionar el dato de aforos con la información de series de imágenes imponiendo la ecuación de conservación de la masa, y de esta manera obtener la distribución del caudal a lo ancho en función del caudal específico a la entrada y de la posición (altura) considerada.

4 Referencias bibliográficas [1] Marti-Cardona, B., Lopez-Martinez, C., Dolz, J., and Bladé, E. (2010). "ASAR polarimetric, multi-

incidence angle and multitemporal characterization of Doñana wetlands for flood extent monitoring." Remote Sensing of Environment, 114 2802-2815.

[2] Ruiz-Villanueva, V., Bladé, E., Sánchez-Juny, M., Bodoque del Pozo, J. M., and Díez-Herrero, A. (2011). "Woody debris transport during floods: 2D hydrodynamic modelling approach." 31.

Canal 2

Canal 1

Canal 3

Canal 1 Canal 2 Canal 3

[3] Sánchez-Juny, M., and Dolz, J. (2005). "Experimental study of transition and skimming flows on stepped spillways in RCC dams: Qualitative analysis and pressure measurements." Journal of Hydraulic Research-IAHR, 43(5), 540-548.

Sostenibilidad del Proyecto Regulación y Modernización del Canal de Terreu.

Estructuras Hidráulicas

Hidrología y Gestión del Agua. Riegos. Energía Hidroeléctrica

Pedro Jesús Extremera Aceituno - SOGEOSA – pedro.extremera@sogeosa.es

Alberto Santos Sanchez – Universidad de Cádiz – alberto.santos@uca.es

Juan José Muñoz Perez – Universidad de Cádiz - juanjose.munoz@uca.es

Ramón Lúquez Llorente – Confederación Hidrográfica del Ebro - RLuquez@chebro.org

Eduardo Algora Esteban – Confederación Hidrográfica del Ebro - EAlgora@chebro.org

Carlos Ballarín Bello – Dragados, SA - cballarinb@dragados.com

Antonio Sanchez Lallana – Control y Geología, SA - asanchez@cygsa.com

El sistema de Riegos del Alto Aragón, con fuentes de suministro muy distantes de la zona regable, obliga a largas conducciones que dificultan el suministro de agua a las demandas reales de las zonas, tanto en lo referente al caudal como a la regulación del mismo.

El Canal de Terreu con una longitud total de 49,22 Km, entró en servicio en 1971, para poder servir una dotación punta de 0,67 l/s/Ha, dominando 25.101 hectáreas brutas de regadío. El deterioro del canal y las nuevas exigencias para un correcto aprovechamiento de los recursos hídricos hacían que resultara de máximo interés desarrollar una regulación interna del mismo

El Proyecto de Regulación Integral y Modernización del Canal de Terreu del Sistema de Riegos del Alto Aragón (Huesca), con un Presupuesto Total Integro de 94.167.461,22 €, consigue con la ejecución de nuevas estructuras hidráulicas y la modernización y mejora de las existentes, un mejor aprovechamiento en la gestión de los recursos hídricos. Para lo cual se definen una serie de actuaciones que pueden dividirse en tres grandes grupos:

Canal: son actuaciones consistentes en la modernización y aumento de la capacidad de transporte a lo largo de los 49,2 Kms del mismo, consiguiendo llevar un caudal en origen de 20 m3/s. Esto se logra mediante el recrecimiento de su tramo inicial en unos 10,5 kilómetros. Punto en el que se deriva este mayor caudal a través de una tubería en presión hasta la presa de Las Fitas. Demolición y nueva ejecución de tramos en mal estado, impermeabilización y solución de problemas de cimentación. Así como mejora de las tomas del canal mediante la instalación de compuertas automáticas con módulos de máscara, modernización de compuertas transversales en el canal, ampliación de los desagües, aliviaderos, etc.

Tubería en Presión: Con objeto de aumentar la capacidad de transporte y dotar de presión natural se ha ejecutado una tubería en presión de unos 23,5 kilómetros de longitud. Esta tubería se inicia en la cámara de carga, que se deriva del propio canal en el PK 10+500, comenzando con un diámetro de 2000 mm. para finalizar en la Presa con 1200 mm. El material de esta tubería es poliéster reforzado con fibra de vidrio (PRFV) en la mayor parte su recorrido, salvo en tramos de especial dificultad geológica en los que hubo que pilotar o estructuras aéreas, empleándose en ambos casos acero helicosoldado con capacidad autoportante. A lo largo del recorrido de la misma se disponen una serie de tomas que permiten derivar agua en presión a distintas comunidades de regantes (de ahí que vayan disminuyendo telescópicamente los diámetros), con el consiguiente ahorro energético al evitar anteriores bombeos de agua.

Embalse de Las Fitas: Con objeto de disponer de caudales regulados en la zona regable se proyecta un embalse de unos 8,5 Hm3 de capacidad, que recibe los caudales desde la tubería en presión y que puede revertir los caudales hasta el Canal de Terreu en el momento en que sea demandado. La tipología de esta estructura es una presa de materiales sueltos, heterogénea, con núcleo de arcilla y en cuya cimentación se ha dispuesto una pantalla de bentonita-cemento a fin de evitar filtraciones

Esta modernización se completa con un sistema de control centralizado en el Edificio de Administración que se dispone en el estribo derecho de la Presa de las Fitas. Con este sistema de Telecontrol es posible tener datos en tiempo real para canal, tubería y presa gestionando y procesando la información descriptiva del estado hidráulico e hidrológico del Canal de Terreu y la Presa de las Fitas. El sistema será capaz, además, de interactuar a través de la instrumentación dispuesta a lo largo de la conducción.

Estos datos de niveles, presiones, caudales y elementos de auscultación, se integrarán en el Sistema General de la Red SAIH del Ebro, ayudando al mantenimiento de la red avisando de posibles fugas y roturas, así como un control de las redes de distribución.

Configuración de un sistema de auscultación de presas de hormigón con DGPS: comparación con otras tecnologías

Estructuras hidráulicas (primera opción), Monográfico (segunda opción)

David Galán (*), Miguel Marchamalo y Rubén Martínez

(*)División Seguridad de Presas. Canal de Isabel II Gestión, S.A.

Dpto. Ingeniería y Morfología del Terreno. E.T.S.I.C.C.P. – U.P.M.

(*) dgalanmartin@gestioncanal.es

Las presas, como grandes estructuras, requieren de programas de seguridad y monitorización continuos, con distintas especificaciones según las regulaciones en cada país. La auscultación de presas puede ser hidráulica, piezométrica, deformacional y de control de movimientos. Entre los métodos de control de movimientos en estructuras se pueden diferenciar: los geotécnicos (péndulos directos e invertidos, inclinómetros, girómetros,…) y los geodésico-topográficos (nivelación, trilateración, triangulación, poligonación de precisión, colimación angular, etc). Los sistemas geotécnicos son muy fiables y permiten alcanzar precisiones altas, de hasta la centésima de milímetro.

Con los nuevos avances tecnológicos se han ido añadiendo otro tipo de métodos al control deformacional y de movimientos, como los basados en fibra óptica, estaciones robotizadas de topografía o mediante GPS diferencial (DGPS). La tecnología GPS diferencial o DGPS permite la auscultación con coordenadas absolutas (geodésicas) en continuo y con alarmas en tiempo real. Para su aplicación, la única limitación es que los puntos de control han de tener horizonte despejado y ausencia de elementos cercanos que puedan causar multitrayectoria.

La tecnología DGPS se ha aplicado en estabilidad de laderas y terraplenes, donde la precisión requerida es centimétrica. El avance de la tecnología y las comunicaciones de los últimos años, ha permitido desarrollar métodos que proporcionan posiciones con exactitud milimétrica ampliando sus aplicaciones hasta el control de estructuras. En las presas, la amplitud de movimientos depende parámetros como la altura de presa, la geometría estructural, el tipo de hormigón y juntas empleadas, la carga hidrostática y la temperatura exterior.

Como conclusión general se puede afirmar que el sistema DGPS es muy útil de cara a la gestión de la auscultación y la seguridad de las presas al reflejar adecuadamente su deformación, siendo un método alternativo a los existentes que deberá ser tenido en cuenta. En cuanto a la colimación angular de precisión, su valor es primordial como técnica de comparación en aquellas presas que no estén instrumentadas con péndulos invertidos.

La amplitud anual de los movimientos y el ajuste a los datos proporcionados por los péndulos es bueno tanto en DGPS como en colimación angular por lo que se puede afirmar que el sistema DGPS es preciso, con exactitudes de orden milimétrico al aplicar el filtro Kalman. Al ser los movimientos obtenidos por el DGPS y la colimación angular de carácter absoluto, se puede implantar cualquiera de las dos tecnologías en aquellas presas en las que exista cierta incertidumbre en su cimentación, como posibles deslizamientos o deformaciones que no se puedan controlar por otros sistemas de auscultación. Los resultados obtenidos se pueden gestionar en tiempo real con telecontrol y monitorización “on line”, lo que influye positivamente en la capacidad de reacción de cara a la gestión de la seguridad de las presas.

Análisis comparativo de maniobras de arranque y paro en estaciones de Bombeo. Aplicación al caso de la EB de

Corbera.

(Estructuras Hidráulicas) García-Serra J.; Soriano J.; Arregui F.; Espert V. B.

ITA – Edificio 5C – Universitat Politècnica de València

Camino de Vera s/n. 46022 – Valencia – SPAIN

Tel: +34 96 3879898

jgarcias@ita.upv.es

Los arranques y paros de grupos de bombeo en impulsiones pueden generar importantes variaciones en la presión (positivas y negativas), por lo que es necesario estudiar las maniobras a realizar en los arranques y paradas ordinarias de los grupos y programarlas correctamente. Sólo en caso de fallo de energía eléctrica se producirá una parada de los grupos sin seguir el protocolo programado, por lo que también es necesario proteger la instalación frente a estas eventualidades. Ello no es óbice para que siempre que sea posible se realicen las maniobras de manera adecuada, evitando someter al sistema a las variaciones de presión que se producirán aún estando protegido por los dispositivos antiariete (calderines, tanques unidireccionales, chimeneas de equilibrio, válvulas de alivio, etc.).

En el presente trabajo se comparan las diferentes formas de programar las maniobras de arranque y parada de grupos de bombeo, tanto en el caso de una sola bomba como en el de varias en paralelo. Para analizar el efecto de cada una de ellas se hace uso del programa Allievi, del ITA de la Universidad Politécnica de Valencia, que permite simular el funcionamiento del sistema en régimen transitorio bajo cualquier circunstancia.

Se comparan las maniobras de arranque o paro directo con otras realizadas a válvula en serie cerrada, a válvula en derivación cerrada o con variador de velocidad. Asimismo, se estudia el arranque o parada secuencial de grupos de bombeo, frente a la puesta en marcha o parada simultánea de todas las bombas.

Con ello se pone de manifiesto la necesidad de analizar el protocolo a seguir frente a arranques y paradas de grupos y la conveniencia de usar un programa de simulación de transitorios para optimizar estas maniobras, ajustando los parámetros a tener en cuenta en las mismas.

Sin duda, ello servirá para programar los autómatas que llevarán a cabo el control de la instalación, si bien siempre será necesario realizar un ajuste “fino” de estos parámetros en las pruebas a realizar ´durante la puesta en marcha del sistema.

Como ejemplo, se presenta el sistema de arranque y paro de los grupos de bombeo en una de la Estación de Bombeo (EB) de Corbera, en el trasvase Júcar-Vinalopó.

Aplicación de la semejanza hidrodinámica para la

caracterización de válvulas de ventosas

Tema A (Estructuras hidráulicas), tema C (Agua y Ciudad)

Pedro L. Iglesias-Rey, Francisco J. García-Mares, Vicente S. Fuertes-Miquel, F. Javier

Martínez-Solano

Dpto. Ing. Hidráulica y Medio Ambiente, Universidad Politécnica de Valencia

piglesia@upv.es, fjgarcia@gmmf.upv.es, vfuertes@upv.es, jmsolano@upv.es

Introducción

La presencia del aire en las conducciones de transporte de agua a presión es un problema que afecta tanto al

funcionamiento normal de las redes de distribución de agua como a los procesos de llenado y vaciado de las

conducciones durante las maniobras de puesta en marcha y parada de las mismas.

Para eliminar el aire durante el proceso de llenado y vaciado de las conducciones el dispositivo más empleado

son las ventosas: válvulas que mediante un flotador controlan de forma automática la admisión y expulsión de

aire. El funcionamiento de estos dispositivos es esencial durante los procesos de arranque y parada de las

instalaciones. Un mal dimensionamiento de los mismos puede originar fuertes sobrepresiones en las

conducciones o importantes deficiencias en la operación normal del sistema.

Para la adecuada ubicación, selección y dimensionado de las ventosas necesarias en un sistema es preciso

disponer de una adecuada caracterización de las mismas. En la literatura existen diferentes modelos de

caracterización del comportamiento de las ventosas, todas ellas tomando como punto de partida el

comportamiento del aire como fluido compresible en su interior. A partir de dicho comportamiento se pueden

realizar diferentes hipótesis sobre el comportamiento del aire, obteniéndose expresiones diferentes (Fuertes et al.

2009).

Independientemente de la expresión matemática empleada en la caracterización de la ventosa, es necesario

determinar siempre los parámetros característicos de la ventosa. Dichos parámetros son diferentes dependiendo

de la formulación empleada para determinar el comportamiento de la ventosa.

El presente trabajo se centra en presentar una nueva metodología de caracterización de ventosas basada en la

caracterización de la ventosa en condiciones diferentes a las de funcionamiento y extrapolar dichos resultados

mediante la aplicación de técnicas de semejanza hidrodinámica.

El trabajo se estructura así en tres partes. En la primera parte se analizan las diversas técnicas de caracterización

de ventosas mediante el empleo de técnicas experimentales. En la segunda se presenta la caracterización de

ventosas mediante el empleo de técnicas CFD (Computational Fluid Mechanics). Finalmente en la tercera parte

se realiza el estudio comparativo de los resultados obtenidos y se realiza una propuesta de metodología basada

en los estudios previos para la determinación del comportamiento de la ventosa.

Caracterización experimental de ventosas

La necesidad caracterización experimental de las ventosas viene recogida en el caso de España por la norma

UNE-EN 1064-4. Dicha norma recoge algunos aspectos relacionados con la caracterización y validación de la

documentación técnica aportada por al fabricante sobre el comportamiento de este tipo de dispositivos.

A lo largo del trabajo se presentan todas las limitaciones y problemáticas asociadas de la aplicación de este

código normativo. Al mismo tiempo se presentan las diferentes técnicas para la validación experimental del

comportamiento de las ventosas. De esta forma se analizan los requerimientos en cuanto a tamaño de

instalaciones y la dificultad asociada a cada una de estas técnicas.

Las técnicas de caracterización del comportamiento de la ventosa se han validado utilizando dos fluidos

diferentes: agua y aire. De esta forma se ha podido establecer una relación entre la presión en la ventosas y el

caudal (bien de aire, bien de agua) que la ventosa puede admitir o expulsar. Hay que indicar que en el caso de los

ensayos con agua ha sido necesario manipular previamente los dispositivos de cierre de las ventosas para evitar

que estos actuasen en presencia del agua.

Caracterización computacional de ventosas

La caracterización computacional de ventosas se realiza mediante el empleo de técnicas computacionales

basadas en la resolución de las ecuaciones básicas de la Mecánica de Fluidos. Para ello se ha empleado un

modelo de análisis computacional CFD, que una vez dividida la región de análisis en volúmenes de control de

tamaño suficientemente pequeño resuelve las ecuaciones básicas de conservación de la cantidad de movimiento

y de continuidad.

El análisis computacional mediante CFD ha definido en primer lugar un tamaño de malla adecuado. Para ello se

han realizado diferentes estudios con tamaños de malla variable. De esta forma se ha determinado el tamaño de

malla mínimo para garantizar una estabilidad de los resultados. En otras palabras, se determina cuál es la

partición máxima del espacio de fluido a analizar que garantiza que particiones menores de dicho espacio no

obtengan resultados significativamente mejores. Durante este proceso se ha considerado siempre como objetivo

la representación del comportamiento de la ventosa; es decir, caudal que admite o expulsa en función de la

presión en el interior de la tubería. Una vez definido el tamaño de malla se ha estudiado la influencia que tiene

sobre los resultados la aplicación de diferentes modelos de turbulencia al problema analizado. Este análisis de

sensibilidad sobre el modelo de turbulencia permite esclarecer la influencia que este tiene sobre los resultados

obtenidos.

Aplicación de la semejanza computacional

Por último el trabajo presenta una metodología

basada en la utilización de los resultados de ensayos

con agua para predecir el comportamiento de la

ventosa cuando por su interior circule aire. Se trata

de una simple técnica de aplicación de semejanza

hidrodinámica.

En el gráfico adjunto se recogen de forma

comparativa los resultados obtenidos mediante la

aplicación de la semejanza hidrodinámica

comparados con los obtenidos mediante técnicas

experimentales (ensayos) y mediante técnicas

computacionales (CFD).

Conclusiones

El análisis comparativo de los diferentes resultados obtenidos mediante las tres metodologías de caracterización

de ventosas muestra la bondad de la aplicación de la semejanza hidrodinámica. Las principales diferencias en la

aplicación de esta metodología acontecen cuando las presiones son mayores, coincidiendo con las zonas en la

que los aspectos de compresibilidad del fluido son mayores. No obstante, en las zonas habituales de trabajo de

este tipo de dispositivos (presiones inferiores a 0.3 bar) la predicción de los resultados es muy adecuada.

La metodología desarrollada puede ser aplicada no solo a otros tipos de ventosas diferentes a las ensayadas en

este trabajo, sino que puede aplicarse al estudio de otros fenómenos como el cierre anticipado de las ventosas, la

influencia de los tramos de conexión o las condiciones de instalación.

Agradecimientos

El desarrollo de este trabajo ha sido posible gracias al Ministerio de Ciencia e Innovación de España, que ha

financiado el proyecto de investigación DPI2009-13674 OPERAGUA: Mejora de las técnicas de llenado y

operación de redes de abastecimiento de agua.

Referencias bibliográficas

Fuertes-Miquel, V.S., Iglesias-Rey, P.L., García-Mares, F.J., Mora-Meliá D. (2009). Air valves behaviour.

Comparison between compressible and incompressible flow. International Workshop on Environmental

Hydraulics. Theorical, experimental and computational solutions. CRC Press. Taylor & Francis Group. Valencia,

28-29 octubre 2009.

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00

Cai

da

de

pre

sió

n D

p (b

ar)

Caudal másico de expulsión Q (Nm3/min)

Ensayos

CFD

Semejanza Hidrodinámica

Fabricante

Diseño hidrodinámico del aliviadero en pozo de la presa de Nagore con el método SPH.

Tema D (Estructuras hidaúlicas), Tema M David López Gómez, Irene Domingo Comeche

CEH (CEDEX), Confederación H. del Ebro.

David.lopez@cedex.es ; idomingo@chebro.es

EL desarrollo de las técnicas de supercomputación ha permitido el empleo de métodos numéricos para el análisis y comprobación del funcionamiento hidrodinámico de estructuras hidráulicas. Aunque en la mayoría de los casos las simulaciones numéricas se emplean como una herramienta que complementa los estudios en modelo físico, en este caso, con el fin de aprovechar la sinergia entre las dos técnicas experimentales, ha sido necesario adelantar el estudio en modelo matemático. Así ha sido posible analizar la viabilidad técnica de la solución previamente a la tramitación administrativa del proyecto modificado, posponiendo la experimentación en modelo físico hasta la aprobación del mismo.

En el Laboratorio de Hidráulica del CEH se está realizando un estudio para comprobar la capacidad de desagüe del aliviadero de la presa Nagore para diferentes niveles en el embalse de Itoiz.

La presa de Nagore es un dique de cola en el río Irati de la presa de Itoiz. Se proyecta como una presa de materiales sueltos, coronada a la cota 592.5 msnm, con una altura aproximada de 30 m sobre cimientos. Consta de un aliviadero en pozo que se levanta junto al pie de aguas arriba de la presa y forma parte de una estructura conjunta que alberga tanto los desagües de fondo como el aliviadero de superficie. Para compatibilizar ambos fines dispone de una torre adosada al pozo que permite el accionamiento de las válvulas de regulación del desagüe. El vertedero, con umbral a la cota 588, es circular de 7 m de radio a la cota del umbral. Sin embargo, la torre adosada por el lado de aguas arriba limita su desarrollo en un ángulo de 37.91º, dejando una longitud neta de vertido a 38.23 m. El perfil del vertedero se ha diseñado para un lámina Ho=3.5 m.

Fig.1 Solución inicial del aliviadero.

Tanto la proximidad del aliviadero al paramento de aguas arriba de la presa como la pila tajamar que aloja los desagües de fondo condicionan el flujo de llamada del aliviadero por lo que se ha realizado una simulación bidimensional con Iber. Así es posible delimitar la zona de influencia y diseñar la alimentación del modelo tridimensional.

Las simulaciones hidrodinámicas 3D se han realizado con el modelo SPHERIMENTAL. Se trata de un modelo hidrodinámico basado en el método SPH, desarrollado por el CEDEX y codificado en FORTRAN CUDA lo que permite utilizar las capacidades de cálculo computacional de las tarjetas gráficas. Este modelo heredero del modelo MDST también desarrollado por el CEDEX, permite incluir condiciones de contorno de entrada y salida, facilitando enormemente los trabajos de experimentación.

Las primeras simulaciones han permitido comprobar que, como consecuencia de la interacción del flujo, a partir de un cierto caudal se produce un borbotón en la embocadura del pozo que limita la capacidad de desagüe. Por ello, ha sido necesario redimensionar el radio del vertedero del aliviadero en pozo.

Fig. 2 Simulación del flujo de aproximación y diseño de la alimentación del modelo tridimensional.

Para estudiar el flujo en el canal de descarga es imprescindible reproducir correctamente las pérdidas de carga por fricción, para lo que se emplea un método original desarrollado en el CEDEX que permite introducir una tensión tangencial.

2partrough

2*SPHf, vCv (1)

Para calibrar esta tensión se introduce un coeficiente rugoso Crough. Su valor se ha obtenido mediante simulaciones bidimensionales con Iber en el tramo del canal de descarga. Se consigue así reproducir una rugosidad equivalente a la que tiene esta estructura de hormigón, con una n de Manning definida.

Fig. 2 simulación del flujo de aproximación y diseño de la alimentación del modelo tridimensional.

Un final. Referencias

Procedimiento de diseño de protecciones tipo repié para

evitar la rotura por deslizamiento en masa de presas de

escollera sometidas a percolaciones extremas

Tema D. Estructuras hidráulicas

Rafael Morán*, Ricardo Alves*, Miguel Ángel Toledo*

Antonia Larese**, Fernando Salazar**, Riccardo Rossi**

*Universidad Politécnica de Madrid (UPM)

** Centre Internacional de Mètodes Numèrics en Enginyeria (CIMNE)

rmoran@caminos.upm.es, ricardo.monteiro.alves@gmail.com, matoledo@caminos.upm.es

antoldt@cimne.upc.edu, fsalazar@cimne.upc.edu, rrossi@cimne.upc.edu

Esta comunicación presenta algunas de las conclusiones derivadas de la tesis doctoral recientemente presentada

con el título: “MEJORA DE LA SEGURIDAD DE LAS PRESAS DE ESCOLLERA FRENTE A

PERCOLACIÓN ACCIDENTAL MEDIANTE PROTECCIONES TIPO REPIÉ”. La investigación tuvo como

objetivo principal definir criterios de diseño de protecciones en forma de repié en presas de materiales sueltos

cuyo espaldón de aguas abajo esté formado por escollera. La protección propuesta consiste en un relleno de

material granular situado sobre el pie de aguas abajo de la presa y formado a su vez por una escollera con

características diferenciadas respecto de la escollera que integra el espaldón de la presa.

La función de esta protección es evitar que se produzcan deslizamientos en masa cuando una cantidad de agua

anormalmente elevada circula de forma accidental por el espaldón de aguas abajo de la presa por distintos

motivos como pueden ser el vertido por coronación de la presa o la pérdida de estanqueidad del elemento

impermeable o del propio cimiento. Según los datos de la International Commission on Large Dams (ICOLD) el

70% de las causas de rotura o avería grave en presas de materiales sueltos en el mundo están dentro de las que se

han indicado con anterioridad.

Esta circulación extrema de agua a través del espaldón de escollera, típicamente turbulenta, se ha denominado en

el trabajo percolación (“through flow”, en inglés) para diferenciarla del término filtración, habitualmente

utilizada para el flujo laminar a través de un material fino. El fenómeno físico que origina la rotura de presas de

materiales sueltos sometidas a percolación extrema es complejo, entrando en juego diversidad de parámetros,

muchas veces no deterministas, y con acoplamiento entre procesos, tanto de filtración como de arrastre y

deslizamiento.

La investigación desarrollada en esta tesis engloba diferentes estudios experimentales y numéricos con objeto de

analizar el efecto sobre el nivel de protección frente al deslizamiento en masa que producen los principales

parámetros geométricos que definen el repié: la anchura de la berma, el talud exterior y su altura máxima desde

la base. También se realizaron estudios sobre factores con gran influencia en el fenómeno de la percolación

como son la anisotropía del material y el incremento de los caudales unitarios en el pie de presa debidos a la

forma de la cerrada.

A partir de los resultados obtenidos en las distintas campañas de modelación física y numérica se obtuvieron

conclusiones respecto a la efectividad de este tipo de protección para evitar total o parcialmente los daños

provocados por percolación extrema en presas de escollera. El resultado final de la investigación fue un

procedimiento de diseño para este tipo de protecciones.

Con objeto de completar los criterios de dimensionamiento, teniendo en cuenta los mecanismos de rotura por

erosión interna y arrastre, se incluyeron dentro del procedimiento recomendaciones adicionales basadas en

investigaciones existentes en la bibliografía técnica.

Detección de fugas en presas de materiales sueltos mediante sensores distribuidos en fibra óptica.

Tema D (Estructuras hidráulicas) Muñoz O.1, Gomez R.2, Russo B.3, Sánchez J. C.4

1TECNALIA Research & Innovation, oscar.munoz@tecnalia.com 2Confederación Hidrográfica del Ebro (CHE), rgomez@chebro.es,

3Escuela Politécnica La Almunia (EUPLA), brusso@unizar.es, 4TECNALIA Research & Innovation, jcarlos.sanchez@tecnalia.com.

Resumen Todas las grandes infraestructuras se dotan de sistemas de monitorización que permiten la supervisión del estado estructural de las mismas. Tradicionalmente la instalación de sensores se realiza en sitios puntuales permitiendo únicamente la adquisición de variables por zonas. No obstante pueden existir parámetros en los cuales un solo dispositivo no ofrece la suficiente resolución y por lo cual es necesario implementar una red de sensores.

Gracias a los avances en optoelectrónica y al abaratamiento de dispositivos tradicionalmente muy caros, hoy es posible integrar dentro de un hilo de fibra óptica multitud de sensores que nos permiten instalar redes de dichos dispositivos desplegando un único cable de fibra óptica. Aunque actualmente, en la fibra están integrados sensores de deformación y temperatura, a través de diferentes líneas de desarrollo e investigación se están empezando a comercializar sensores derivados como acelerómetros, inclinómetros, etc...

Una de las posibles aplicaciones de este tipo de tecnología es la detección de fugas en presas de materiales sueltos monitorizando la temperatura bajo la capa impermeable. Una de las principales causas de fallo de las presas de materiales sueltos son los procesos de erosión interna ocasionados por el arrastre o disolución de partículas del cuerpo de presa o del cimiento, por el flujo continuo del agua. Es un proceso silencioso que apenas deja evidencias de sus efectos, hasta el momento en el que las consecuencias son incontrolables. Ejemplos muy conocidos son los casos de Baldwin Hills (USA,1963), Teton (USA, 1975), Quail Creek (USA, 1989), Mosul (Irak, 1990), etc. Aprovechando la capacidad de conductividad del agua es posible detectar decrementos de temperatura en las zonas por donde fluye el agua (grietas en la capa impermeable). Para este tipo de implementación la tecnología más adecuada es la basada en el efecto RAMAN.

la tecnología basada en el efecto RAMAN se basa sobre la idea de aprovechar un pulso óptico generado por Laser y transmitido a lo largo de la fibra óptica. La dispersión denominada como Raman es debida a la interacción de los fotones procedentes del láser con las vibraciones térmicas de las moléculas de silicio. Gracias a este efecto, se pueden medir las fluctuaciones de temperatura en la propia fibra disponiendo así de una red de sensores cuyo número es dependiente de la longitud de la propia fibra. La localización del punto medida se realiza mediante el análisis del “tiempo de vuelo” de la señal LASER y su precisión de medida puede rondar entre 1 m y 2 m, o lo que es lo mismo para cada 100 m de fibra óptica se dispondría como máximo de 100 sensores de temperatura.

Figura 1. Distribución de la fibra óptica en la infraestructura.

En la Figura 1 se muestra la representación de la instalación de la fibra óptica en la presa de Sototerroba, (La Rioja), donde se han instalado 3 hilos de fibra óptica que recorren gran parte de la pantalla asfáltica de impermeabilización de la presa. Gracias a la geolocalización del cableado realizada durante la instalación se puede relacionar cualquier decremento de temperatura indicativo de fuga de agua con unas coordenadas geográficas precisas.

La fibra óptica se ha instalado junto con una resistencia calefactora que permite mejorar la resolución de la medida. A su vez, el conjunto es envuelto en material geotextil que evita la rotura de la fibra durante el proceso de asfaltado de la capa impermeable.

La identificación de una fuga en la presa requiere de un procedimiento de medida basado en stress térmico de la fibra. En una primera fase se somete al elemento sensor a un ciclo de calentamiento a través de las resistencias integradas mientras que la segunda fase corresponde a la fase de retorno a la temperatura inicial de la fibra una vez cortado el aporte de calor de las resistencias.

Siguiendo el procedimiento de medida anteriormente indicado se definen tres parámetros básicos por los cuales se pueden identificar una filtración de agua en la infraestructura:

ΔT. Gradiente de Temperatura. Diferencial entre la temperatura inicial del test y la temperatura máxima alcanzada en el punto de medida.

ΔH. Gradiente de Disipación. Correspondiente al tiempo en la que la fibra óptica vuelve, de la temperatura alcanzada en la fase de calentamiento, a la temperatura inicial del ensayo.

D. Posición del punto de medida. Nos indica la localización del punto de medida dentro de la fibra óptica. Relacionando este punto con las coordenadas de instalación de la misma es posible localizar con precisión la situación de la fuga de agua.

Para determinar la detección de una fuga dentro de la presa es necesario relacionar los parámetros ahora descritos de cada punto de medida con los de sus vecinos. Una vez fijado el grado de tolerancia se estará en disposición de dictaminar cuando existen condiciones de fuga de agua.

Figura 2. Test de detección de fugas en laboratorio.

En la Figura 2 se pueden observar algunos resultados de laboratorio. En particular se puede observar la diferencia del comportamiento de la fibra óptica en un punto cuando se ha sometido a un ciclo de test con tierra seca (gráfica azul), y con tierra húmeda (gráfica roja). Aunque el procedimiento de tierra mojada no simula el efecto de una fuga de agua real (no existe circulación de agua), hace suponer que el caso de existir una corriente, estos gradientes serían todavía mayores indicando así el correcto funcionamiento del sistema.

La implementación de sensores ópticos distribuidos ha abierto un amplio abanico de posibilidades en el ámbito de la obra civil permitiendo tener un control de la situación de la infraestructura mucho mayor del que se obtenía hasta ahora. La instalación de un sistema tradicional con las mismas características al descrito en este documento sería inviable económicamente debido a la gran cantidad de sensores a desplegar y del mantenimiento y control del sistema relacionado.

Valvulas de regulación Howell Bunger

Estabilidad estructural.

Tema D Estructuras hidráulicas Antonio Sandoval (1), Mario Quiñonez Alonso (2)

(1) ACUASUR

(2) TÉCNICAS REUNIDAS, SA

qalonso@tecnicasreunidas.es

Objetivo: Difundir también las experiencias “no exitosas”, como base del aprendizaje colectivo.

Cuando se realiza la elección de válvulas de regulación para cargas de agua por encima de los 20 m de columna de agua, en forma clásica se elige a la válvula Howell Bunger o también conocida como de cono. Se conoce, que las mismas brindan un amplio rango de regulación, sin presentar problemas frente a las cargas dinámicas impuesta por la corriente de agua, es decir hay que olvidarse de los efectos vibratorios sobre estas válvulas.

Esta afirmación en la mayoría de los casos es cierta, sin embargo no es universal, ya que frente a cargas de agua elevadas, las válvulas presentan estados vibratorios que comprometen la estructura de la misma.

En esta presentación proponemos dar a conocer la problemática de esta singularidad de funcionamiento de las válvulas Howell Bunger, para evitar errores en el diseño y construcción de estos elementos esenciales en el funcionamiento de los embalses.

Finalmente se presentará la metodología para el diseño de estas válvulas, estableciendo las recomendaciones empíricas y las herramientas para su cálculo.

Sistema de detección para escala de peces de hendidura

vertical utilizando tecnología escáner laser

Tema D, tema B

Juan R. Rabuñal (juanra@udc.es), Daniel Villares (dvillares@udc.es)

Centro de Innovación Tecnológica en Edificación e Ingeniería Civil (CITEEC)

Álvaro Rodríguez (arodriguezta@udc.es), Ángel Rico (angel.rico@udc.es),

Dpto. de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones, Universidad de A Coruña

Luis Pena (lpena@udc.es), Jerónimo Puertas (jpuertas@udc.es),

Dpto. de Ingeniería Hidráulica, Universidad de A Coruña

Las escalas de hendidura vertical son estructuras hidráulicas que permiten el movimiento de los peces aguas

arriba en los ríos, sorteando obstáculos como presas, centrales hidroeléctricas y otros. El diseño de una escala de

peces de hendidura vertical depende de la interacción de parámetros hidráulicos y biológicos, ya que las

variables hidrodinámicas de la piscina (como la velocidad del agua) deben ser adecuadas a los requisitos de los

peces.

Hasta la fecha, existen diferentes trabajos donde se ha caracterizado el flujo en las escalas de hendidura vertical y

otros donde se ha estudiado la natación de los peces. Sin embargo no existen trabajos que conecten los dos

factores. Esta carencia pone de manifiesto la necesidad de completar la metodología a través de la integración

con ensayos biológicos para determinar el comportamiento de los peces dentro de la escala.

Con una serie de experimentos se intenta detectar los peces en movimiento, dentro del agua, y la distancia a la

que se encuentran, utilizando para ello un sensor láser Hokuyo URG-04LX-UG01. Este sensor tiene como

características principales una longitud de onda de 785nm y su área de escaneado es un semicírculo de 240º con

radio máximo de 4000mm.

Un primer experimento se utiliza para calcular la distancia que alcanza el láser para detectar un objeto en

diferentes condiciones de turbidez de agua y su error en el cálculo. Para realizar este experimento se construye

un cilindro de metacrilato donde proteger el sensor una vez metido en el agua. Este metacrilato provoca una

reducción del alcance del láser a la que hay que sumar también la reducción producida por el efecto de estar

introducido en agua.

Se llena una piscina con 93 litros de agua, a la que se le irá añadiendo en sucesivas fases limo de sílice para

enturbiar el agua. Se realizan cuatro mediciones en diferentes condiciones:

Con agua limpia (0,67 NTU de turbidez) alcanzando medidas correctas de hasta 30 cm y con una

relación de 0,9986 y de 0,9389 en medidas de hasta 50 cm. En la gráfica siguiente, las medidas de hasta

50 cm corresponden a la representación “Series1”, mientras que las de hasta 30 cm son los puntos de la

representación “ATA 30”, en donde se puede observar como la distribución es prácticamente lineal.

Con 8 gr de limo de sílice (18,84 NTU de turbidez) se pueden alcanzar hasta 20 cm con una relación de

0,9952 bajando hasta el 0,0224 si se permite medir hasta los 50 cm.

Con 16 gr de limo de sílice (39,56 NTU de turbidez) la relación aceptable se mantiene hasta los 15-20

cm, siendo en 15 cm 1.

Con 24 gr de limo de sílice (59 NTU de turbidez) hasta 15 cm se consigue una relación de 0,9993.

En un segundo experimento se va a comprobar la detección de objetos en movimiento en agua. Para ello se

coloca el sensor láser (a través de una ventana de metacrilato) en el exterior de un canal circular con un motor

que hace circular el agua a una velocidad constante en circuito cerrado. Se introduce un objeto en el agua

simulando el movimiento de un pez que se podría producir en condiciones reales. Se desarrolla un software que

captura en tiempo real el vector de medidas que realiza el sensor laser y muestra en pantalla los escaneos

sucesivos de forma gráfica. La aplicación informática detecta el objeto (en este caso el pez) y lo dibuja en una

gráfica en escala de grises, valores entre 0 y 255 que representan la distancia del objeto, el 0 sería el negro y

representa el valor más cercano y el 255 el blanco que representaría el valor más alejado. Por lo tanto, cuanto

más oscura la imagen indica una distancia menor al sensor, mientras que se irá aclarando según el objeto se va

alejando. En la tabla siguiente se observan varias capturas de pantalla del software detectando el pez a diferentes

distancias:

5 cm 15 cm

25 cm 30 cm

Agradecimientos: Este trabajo ha sido financiado por la Dirección Xeral de Investigación, Desenvolvemento

e Innovación de la Xunta de Galicia (Ref. 10MDS014CT) y por el Ministerio de Economía y Competitividad

(Ref. CGL2012-34688). Así mismo, agradecer el apoyo y colaboración del CEH (Centro de Estudios

Hidrográficos) del CEDEX (Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas).

La tecnología láser escáner en la auscultación de estructuras hidráulicas: recomendaciones para el diseño del muestreo

Estructuras hidráulicas (primera opción), Monográfico (segunda opción)

Luis Ramos, Rodrigo García, Miguel Marchamalo, David Galán y Rubén Martínez

División Seguridad de Presas. Canal de Isabel II Gestión.

LEICA Geosystems

Dpto. Ingeniería y Morfología del Terreno. E.T.S.I.C.C.P. – U.P.M.

luis@eeisl.com

La tecnología del láser escáner terrestre (TLS) realiza una toma masiva de datos del objeto o superficie observada. El resultado es una nube de puntos 3D, Frente a los métodos tradicionales en topografía, que adquieren puntos discretos de una superficie para su representación o modelado,. La exactitud de las medidas de puntos discretos está todavía por debajo de la de los aparatos topográficos clásicos, sin embargo el producto final, la nube de puntos 3D, tras la fase de postproceso con sistemas de análisis superficial, puede mejorar la exactitud inicial. Frente a la simple monotorización de movimientos de puntos concretos dentro, en coronación o en el paramento de la presa, el disponer de un modelo continuo del paramento aguas abajo de la presa abre la posibilidad de introducir los métodos de análisis de deformaciones de superficies y la creación de modelos de comportamiento que mejoren la comprensión y previsión de sus movimientos. Pero no es esta su única aplicación.

En este trabajo presentan las características de la tecnología y los parámetros que intervienen en la precisión final de un escaneo con tecnología TLS. En segundo lugar, se presenta la revisión sobre las investigaciones realizadas sobre esta técnica en el campo de la ingeniería civil y en concreto en el ámbito de las presas de embalse. Por último se dan recomendaciones para la auscultación de estructuras hidráulicas con láser escáner.

No obstante, en todas las referencias de investigaciones llevadas a cabo con equipos TLS en su aplicación a la topografía y geodesia se insiste que no es una tecnología complementaria a las existentes. En el caso concreto de monitorización de presas, los péndulos y recientemente el DGPS, mantienen su utilidad y las estaciones totales siempre serán necesarias para el establecimiento de puntos de referencia y de control a utilizar en el postproceso de las nubes de puntos 3D.

Tras la revisión efectuada en el presente trabajo a la tecnología TLS, se constata su viabilidad en la auscultación de estructuras hidráulicas, especialmente en la creación y análisis de modelos de deformaciones de presas. Esta viabilidad se apoya en que se puede aprovechar la infraestructura topográfica existente, la complementariedad con los sistemas de auscultación y la rapidez de la toma de datos sin necesidad de obras auxiliares. Sin embargo es necesario realizar un buen diseño de muestreo para asegurar la visibilidad correcta de la estructura y que la precisión obtenida sea la adecuada a los objetivos de la auscultación. Los principales factores que influyen en la precisión a distancias superiores a 100 metros son los elementos de referenciación externa del escáner (dianas) y el ángulo de incidencia del escaneo.

Posibilidades de la inteligencia artificial en el análisis de la

auscultación de presas

Tema D Estructuras hidráulicas

Fernando Salazar*, Miguel Ángel Toledo**, Eugenio Oñate*

* Centre Internacional de Mètodes Numèrics en Enginyeria (CIMNE). **Universidad

Politécnica de Madrid (UPM)

fsalazar@cimne.upc.edu, matoledo@caminos.upm.es, onate@cimne.upc.edu

El comportamiento estructural de las presas de embalse es difícil de predecir con precisión. Los modelos

numéricos para el cálculo estructural resuelven bien las ecuaciones de la mecánica de medios continuos, pero

están sujetos a una gran incertidumbre en cuanto a la caracterización de los materiales, especialmente en lo que

respecta a la cimentación. Así, es difícil discernir si un estado que se aleja en cierta medida de la normalidad

supone o no una situación de riesgo estructural.

Por el contrario, muchas de las presas en operación cuentan con un gran número de aparatos de auscultación, que

registran la evolución de diversos indicadores como los movimientos, el caudal de filtración, o la presión

intersticial, entre otros. Aunque hoy en día hay muchas presas con pocos datos observados, hay una tendencia

clara hacia la instalación de un mayor número de aparatos que registran el comportamiento con mayor

frecuencia [1]. Como consecuencia, se tiende a disponer de un volumen creciente de datos que reflejan el

comportamiento de la presa. En la actualidad, estos datos suelen tratarse con métodos estadísticos para extraer

información acerca de la relación entre variables, detectar anomalías y establecer umbrales de emergencia.

El modelo general más común es el denominado HST (Hydrostatic-Season-Time), que calcula la predicción de

una variable determinada de una presa a partir de una serie de funciones que tienen en cuenta los factores que

teóricamente más influyen en la respuesta: la carga del embalse, el efecto térmico (en función de la época del

año) y un término irreversible.

Puntualmente se han aplicado modelos más complejos, en algunos casos introduciendo un número mayor de

variables, como la precipitación [2], y en otros con otras expresiones como la función impulso-respuesta [3].

En otros campos de la ciencia, como la medicina o las telecomunicaciones el volumen de datos es mucho mayor,

lo que ha motivado el desarrollo de numerosas herramientas para su tratamiento y para el desarrollo de modelos

de predicción. Algunas de ellas, como las redes neuronales, ya han sido aplicadas al caso de la auscultación de

presas [4], [5] con resultados prometedores.

El trabajo que se presenta es una revisión de las herramientas disponibles en los campos de la minería de datos,

inteligencia artificial y estadística avanzada, potencialmente útiles para el análisis de datos de auscultación. Se

describen someramente, indicando sus ventajas e inconvenientes.

Se presenta además el resultado de aplicar un modelo basado en bosques aleatorios [6] para la predicción del

caudal de filtración en un caso piloto. Los bosques aleatorios están basados en los árboles de decisión [7], que

son modelos que dividen el conjunto de datos observados en grupos de observaciones “similares”.

Posteriormente, se ajusta un modelo sencillo (típicamente lineal, o incluso un valor constante) que se aplica a los

nuevos casos pertenecientes a cada grupo.

Un modelo de este tipo se construye siguiendo dos pasos:

1. Delimitación de las regiones

2. Determinación de la función que aproxima el valor de la variable objetivo en cada región

Para cada división del conjunto de datos observados es necesario seleccionar una variable de entre las

observadas Xi y un valor umbral s que los divide en dos grupos R1 y R2, tales que:

R1 = {X|Xi ≤ s}; R2 = {X|Xi > s}

El proceso se repite para alguno de los subconjuntos de datos generado previamente, hasta que se alcanza un

determinado criterio de parada.

Los árboles de decisión presentan algunas ventajas, como que son fácilmente interpretables, ya que se puede

examinar qué características tienen en común los miembros de un grupo, y por tanto extraer conclusiones acerca

de la influencia de las variables predictoras. Por otra parte, son sencillos de programar y utilizar, y permiten

considerar relaciones no lineales entre variables.

Los bosques aleatorios están formados por un determinado número de árboles de decisión, cada uno de los

cuales se genera a partir de un subconjunto de los datos disponibles. Por tanto, los árboles de un bosque aleatorio

son diferentes entre sí. El valor final de la predicción del modelo global es la media de las predicciones de cada

árbol, y en muchos casos da como resultado una precisión mucho mayor que la de un árbol de decisión

convencional.

Se ha elaborado un modelo de predicción de la filtración en un caso piloto basado en bosques aleatorios. La

precisión resultante se compara con la obtenida con un modelo estadístico convencional, y con uno basado en

redes neuronales. Los resultados sugieren que los bosques aleatorios pueden ser una herramienta útil para

elaborar modelos predictivos del comportamiento de presas.

Referencias [1] Restelli, F. Utilización de modelación conexionista para la determinación de patrones en respuestas

pulsantes de sistemas automáticos. En Congreso Argentino de Presas, Tucumán, Argentina. 2008.

[2] Swiss Committee on Dam. Methods of analysis for the prediction and the verification of dam behavior.

En 21º Congress of the International Commission on Large Dams, Montreal, 2003.

[3] Bonelli, S., Félix, H. Interpretation of measurement results, delayed response analysis of temperature

effect. En 6th ICOLD Benchmark Workshop on Numerical Analysis of Dams, Salzburg, Austria, 2001.

[4] Mata, J. Interpretation of concrete dam behaviour with artificial neural network and multiple linear

regression models. Engineering Structures, 33(3), 903-910, 2011.

[5] Santillán, D., Morán, R., Fraile, J.J., Toledo, M.Á. Forecasting of dam flow-meter measurements using

artificial neural networks. En Romeo García et al. (eds) Dam Maintenance and Rehabilitation II, CRC

Press, Londres, 2010, pp 183-189.

[6] Breiman, L. Random forests. Machine learning, 45(1), 5-32, 2001.

[7] Hastie, T., Tibshirani, R., Friedman, J. The elements of statistical learning. Vol. 1. New York: Springer,

2001.

Modelación física y numérica de aliviaderos con cajeros

altamente convergentes

Tema D Estructuras hidráulicas

Javier San Mauro*, León Morera**, Fernando Salazar*, Riccardo Rossi*,

Miguel Ángel Toledo**, Rafael Morán**,

Blanca Martínez***, Francisco Javier Caballero*** y Eugenio Oñate*

* Centre Internacional de Mètodes Numèrics en Enginyeria (CIMNE).

** Universidad Politécnica de Madrid (UPM).

*** ALATEC Ingenieros Consultores y Arquitectos S.A.

jsanmauro@cimne.upc.edu, lmorera@caminos.upm.es, fsalazar@cimne.upc.edu,

rrossi@cimne.upc.edu, matoledo@caminos.upm.es, rmoran@caminos.upm.es,

bmartinez@alatec.es, jcaballero@alatec.es, onate@cimne.upc.edu.

Resumen

La publicación del Reglamento Técnico sobre seguridad de Presas y Embalses en el año 1996 ha generado la

necesidad de adaptar muchas de las presas en explotación en España para cumplir esta nueva normativa,

debiendo ampliar gran parte de ellas su capacidad de desagüe y también aumentar los resguardos. Muchas de las

presas españolas se encuentran aún en proceso de adaptación a los nuevos criterios debido en ocasiones a que la

ampliación del aliviadero existente es muy costosa o plantea dificultades técnicas importantes. Por esta razón, en

los últimos años se han desarrollado nuevas tipologías de aliviaderos, capaces de satisfacer las necesidades

planteadas. Una de estas soluciones innovadoras son los aliviaderos con cajeros altamente convergentes.

Esta tipología, adecuada para presas de gravedad de hormigón, tiene la particularidad de que la longitud del

vertedero es sensiblemente mayor que el ancho del cuenco amortiguador. Para conducir el caudal vertido al

cuenco, se disponen unos cajeros con fuerte convergencia.

Los aliviaderos con cajeros altamente convergentes ya han sido utilizados en varias presas tanto en España como

en el resto del mundo. Sin embargo no existen referencias con criterios de diseño de carácter general para esta

tipología, por lo que se hace necesario a la hora de proyectar un aliviadero de este tipo realizar ensayos en

modelo físico específicos en cada caso.

Con el objetivo desarrollar criterios generales para establecer una metodología para el cálculo hidráulico y

proyecto de este tipo de aliviaderos se está llevando a cabo el proyecto ALCON incluido en el Plan Nacional de

Investigación Científica del Ministerio de Economía y Competitividad, en el que participan ALATEC, UPM Y

CIMNE.

En el Laboratorio de Hidráulica de la Escuela de Caminos de la UPM se ha construido un modelo físico de esta

tipología de aliviadero cuya cota de vertido se encuentra 1,50 metros por encima de la solera del cuenco

amortiguador y que tiene una longitud de vertido máxima de 5,00 metros, que convergen hasta los 1,00 metros

correspondientes al ancho del cuenco amortiguador. Se ha diseñado para un caudal de 250 litros por segundo. El

modelo cuenta además con diversa instrumentación, a saber: un caudalímetro, limnímetros con posición variable,

sensores de presión y una sonda de nivel de ultrasonidos para el contraste de los caudales.

Actualmente la UPM está desarrollando la primera campaña de ensayos físicos del proyecto ALCON, cuyo

objetivo es la obtención de recomendaciones y criterios generales de diseño, así como el estudio del cuenco

amortiguador. Los parámetros objeto de variación en esta primera campaña son: a) longitud de vertido,

b) convergencia de los cajeros, c) altura del vertedero final, delimitante del cuenco y d) longitud del cuenco.

La Figura 1 (izquierda) esquematiza las diferentes configuraciones de los dos primeros parámetros que se están

modificando dentro de esta primera campaña. La figura 1 (derecha) muestra una vista general del modelo físico

en funcionamiento.

Figura 1: Primera campaña de ensayos del modelo físico. Izquierda: Alzado del modelo mostrando las diferentes

configuraciones que se están ensayando. Derecha: Vista general del modelo durante uno de los ensayos.

CIMNE está desarrollando una campaña de modelización numérica paralela a los ensayos en modelo físico con

el objetivo de a) validar el modelo numérico, b) completar la información obtenida de los modelos físicos y

c) comprobar el funcionamiento de diseños diferentes de los ensayados en laboratorio. El código de cálculo

utilizado es una de las aplicaciones de KRATOS [1], desarrollado por CIMNE. Resuelve las ecuaciones

completas de Navier-Stokes en tres dimensiones sobre una malla de elementos finitos que discretiza el dominio.

Todos los modelos se han realizado en 3D ya que el patrón de movimiento del agua en esta tipología de

aliviaderos es claramente tridimensional, lo que hace imposible utilizar una simplificación bidimensional válida.

Se han realizado varias campañas de modelación numérica sobre un modelo base de aliviadero con cajeros

altamente convergentes y diversas configuraciones del cuenco amortiguador, con los objetivos siguientes:

1.- Estudio del comportamiento del flujo de agua en las proximidades de los cajeros altamente

convergentes y la posible formación de un flujo helicoidal.

2.- Estudio de los efectos del ángulo de convergencia de los cajeros en la disipación de energía

producida en el cuenco amortiguador.

3.- Estudio de las dimensiones óptimas para un cuenco amortiguador alimentado por un aliviadero con

cajeros altamente convergentes y su relación con las correspondientes en un aliviadero convencional.

En la comunicación se describen los resultados más relevantes, en cuanto a la disipación de energía producida

por la alta convergencia de los cajeros y su importancia en el dimensionamiento del cuenco amortiguador. La

Figura 2 muestra una comparación entre dos configuraciones del cuenco. En una de ellas (izquierda) el bordillo

dispuesto a la salida es insuficiente para la formación del resalto, mientras que en la otra (derecha) ocurre lo

contrario.

Figura 2: Funcionamiento del cuenco amortiguador de un aliviadero con cajeros altamente convergentes.

Izquierda: el bordillo no tiene altura suficiente para crear el calado necesario para formar el resalto, que es

barrido del cuenco. Derecha: caso contrario, con un bordillo de mayor altura. En ambos casos se observa la

trayectoria helicoidal del movimiento en los cajeros laterales.

Referencias

[1] P. Dadvand, R. Rossi, E. Oñate. An object-oriented environment for developing finite element codes for

multi-disciplinary applications. Archives of Computational Methods in Engineering. 2010. Vol. 17, 253-297.

Los proyectos hidráulicos multipropósito de Nandi Forest y Ewaso Ng’iro en Kenia

Tema D (estructuras hidráulicas), tema B (energía hidroeléctrica)

Florentino Santos García, Jose R. G. Pachón, Juan Ojeda Couchoud, Jaime Ruiz Casanueva, Amparo Bernal Couchoud

Técnica y Proyectos, S.A. (TYPSA)

jojeda@typsa.es

El Gobierno de Kenia, a través de su Ministerio para las Autoridades de Desarrollo Regional (Ministry of Regional Development Authorities –MoRDA-), está impulsando una serie de grandes proyectos multipropósito dentro del plan “Vision Kenya 2030” para el desarrollo del país. Dentro de estos proyectos se encuentran los relativos a la presa de Nandi Forest, sobre el río Yala (uno de los afluentes del lago Victoria dentro de la región noroeste del país) y las presas de Ewaso Ng’iro sobre el río Ewaso Ng’iro South, al sur del país, en la región de Masaailand, en la proximidad del internacionalmente conocido Parque Natural de Masai Mara. Los proyectos se caracterizan por su fuerte carácter multiusos, siendo sus objetivos principales la generación de energía hidroeléctrica, el regadío, el abastecimiento a la población, el control de las avenidas, la creación de piscifactorías y el desarrollo del turismo en la zona.

La empresa española TYPSA resultó adjudicataria en el año 2009 del contrato internacional para redactar el Estudio de Factibilidad, Estudio de Impacto Ambiental y Proyecto Constructivo de la Presa Multiusos de Nandi Forest. Los trabajos terminaron satisfactoriamente en septiembre de 2011.

La satisfacción del Cliente sobre los estudios realizados por TYPSA en relación al proyecto de Nandi Forest propiciaron la adjudicación por parte de MoRDA a TYPSA, en septiembre de 2012, de un segundo contrato, correspondiente al Estudio de Factibilidad, Estudio de Impacto Ambiental y Proyecto Constructivo del Proyecto multiusos en torno a las presas de Ewaso Ng’iro en el río Ewaso Ng’iro South. Este nuevo contrato, con unos honorarios de cerca de 18 millones € es probablemente el mayor contrato de servicios de Consultoría en Ingeniería Civil que se ha firmado hasta ahora en Kenia y tiene por objeto realizar los estudios para una actuación valorada en unos 1.100 millones €.

El proyecto de la presa multiusos de Nandi Forest (cuya inversión total se estima en unos 500 M€) se localiza en las proximidades del lago Victoria. El proyecto incluye una serie de actuaciones, entre las que destaca la presa de Nandi Forest, ubicada en el linde occidental del bosque del mismo nombre, sobre el río Yala, en el punto donde concurren sus afluentes Kimondi y Sirua. La presa, de tipología de hormigón compactado con rodillo, tendrá una altura de unos 70 m y una longitud en coronación de casi 1,5 km. Su embalse, de 230 hm3, permite la regulación de los caudales del Yala, protegiendo frente a las inundaciones la vega baja del Yala y trasvasando parte del recurso a la cuenca del río Great Oroba, donde se localiza la zona regable del Kano Plain. Esta derivación, que salva un desnivel geométrico de 550 producidos por el descabalgamiento geológico del Nyando Scarpment (que separa la altiplanicie del Yala de la llanura de Kano en la región de Nyanza), permite obtener un aprovechamiento hidroeléctrico de 50 MW, gracias a una central situada al final del túnel de trasvase. Los caudales, una vez turbinados, se conducirán mediante tubería a una balsa de regulación secundaria de 6 hm3, que permitirá acoplar las sueltas producidas por el aprovechamiento hidroeléctrico con la demanda agrícola, estableciéndose un equilibrio hidrológico (ningún caudal procedente del Yala se vierte a la cuenca del Nyanza, ya que todo el volumen de agua trasvasada es aprovechada para el regadío). El esquema hidráulico se completa con el abastecimiento desde la presa a una población total de unos 600.000 habitantes, distribuidos en las poblaciones de Kaimosi, Chavakali, Mbale, Majengo, Kobujoi, Khisero y Kisumu. Otras componentes del proyecto son la creación de piscifactorías mediante jaulas flotantes en el vaso del embalse y el desarrollo de una zona turística y recreativa en torno al embase.

El proyecto en torno a las presas de Ewaso Ng’iro se ubica en el río Ewaso Ng’iro South, el cual nace en los montes Mau, en el Gran Valle del Rift, en el suroeste del país. La cuenca, de más de 6.000 km2, se extiende desde el bosque lluvioso de Mau hasta el lago hipersalino de Natron. La población de mayor importancia en la zona es Narok, con cerca de 40.000 habitantes. La cuenca media y baja forma parte de Masaailand, territorio histórico, a caballo entre Kenia y Tanzania, de la etnia Masai.

El proyecto incluye los siguientes elementos principales:

1. Transvase desde el río Amala (afluente del río Mara) al Río Ewaso Ng’iro South: mediante un azud de derivación, un túnel hidráulico de 4,5 km y 17 km de tubería ∅ 1300 mm.

2. Presa y aprovechamiento hidroeléctrico de Oletukat-Olenkuluo: presa de materiales sueltos con núcleo impermeable de arcilla de 140 m de altura; central hidroeléctrica a pie de presa de 24 MW.

3. Presa y aprovechamiento hidroeléctrico de Leshota: presa arco de 57 m de altura y central hidroeléctrica en derivación de 54 MW para aprovechar un salto neto de 242 m.

4. Presa y aprovechamiento hidroeléctrico de Oldorko: presa de gravedad de hormigón de 30 m de altura (con dique de cierre de 15 m de altura) y 530 m de longitud; central hidroeléctrica en derivación de 96 MW para el aprovechamiento de un salto neto de 387 m.

5. Embalse de demodulación y regulación secundaria (0,75 hm3) para el acoplamiento entre la demanda eléctrica y la demanda agrícola y para la laminación de las puntas de turbinación.

6. Regadíos: desarrollo de una primera fase de 2.500 ha de regadío en lámina libre ampliable en segunda fase a 4.500 ha mediante riego en presión.

7. Abastecimiento de agua para unos 250.000 habitantes equivalentes. 8. Accesos: unos 150 km, entre carreteras principales y secundarias. 9. Casi 200 km de líneas eléctricas, entre suministro de fuerza y evacuación a la Subestación de la Red

Nacional de Distribución. 10. Desarrollo turístico: mediante resorts y campamentos en los embalses de Oldorko y Leshota y en las

proximidades de la zona de regadío. 11. Piscifactorías en los embases de Leshota y Oldorko.

Ambos proyectos, dadas sus características, presentan unos aspectos ambientales y sociales de enorme importancia, que han constituido un enorme desafío para los equipos técnicos responsables de su redacción.

En el caso del proyecto de Nandi Forest, la presa debe ubicarse en el borde un bosque, anegando por tanto mediante su embalse una parte del mismo (unos 12 km2, lo que supone un 5% de bosque primario y un 3,8% de bosque secundario y matorral). El bosque de Nandi pertenece al tipo primigenio congoleño-guineano, del que formaría parte originariamente el complejo de bosques Kakamega – Nandi, los cuales se encuentran en la actualidad desconectados y en retroceso, debido a la creciente deforestación a la que se ven sometidos. El proyecto incluye, como medidas compensatorias, la reforestación de los principales corredores biológicos que permitan la reconexión de las áreas boscosas actualmente aisladas y un plan de protección para evitar el deterioro futuro del bosque en torno al nuevo embalse.

En el caso del proyecto de Ewaso Ng’iro, los aspectos ambientales presentan aún una mayor importancia si cabe, dada la relevancia de las áreas que pueden estar potencialmente afectadas por el mismo:

• El proyecto toma agua del río Amala, uno de los dos afluentes principales del río Mara, que discurre hacía los internacionalmente reconocidos parques naturales del Masai Mara y del Serengueti; por lo que ha sido necesario estudiar muy detalladamente los caudales ecológicos que el Proyecto debe respetar

• Tras el trasvase del Amala a la cuenca del Ewaso Ng’iro South y tras la utilización de los caudales conjuntos para los diferentes usos previstos, estos desembocan en la zona del Lago Natrón, único lugar de cría en África del Este para 2,5 millones de Flamencos Rosa, gracias al contenido alcalino de sus aguas. Con objeto de no alterar las condiciones hidráulicas del Lago Natrón, la totalidad de las aguas transferidas del Amala al Ewaso Ng’iro South serán utilizadas para riego, evitándose así que la alcalinidad del Lago Natrón sufra variaciones significativas como consecuencia del Proyecto.

Asimismo, los factores sociales resultan un elemento especialmente sensible del proyecto. En ambos contratos se realizaron una serie de actividades para difundir localmente información sobre el proyecto a la población afectada y a los principales stakeholders que pudieran tener interés en el mismo. A estas actividades (reuniones y presentaciones públicas) contaron con una asistencia superior a las 1.500 personas. A pesar de la excelente acogida que el público por lo general mostró al proyecto durante este proceso de información pública, durante el desarrollo de los trabajos de campo correspondientes a ambos contratos, surgieron problemas esporádicos con la población local, algunos con una repercusión apreciable en el coste y duración de las campañas geotécnica y de levantamiento topográfico. Asimismo, otros colectivos han expresado su oposición a los proyectos basándose en consideraciones ambientales o políticas.

Diseño hidrodinámico mediante técnicas CFD de un dispositivo de laboratorio para el emulsionamiento del flujo.

Tema D (Estructuras hidráulicas) Valero Huerta, Daniel1; Fullana Montoro, Omar1; García-Bartual, Rafael1; Vallés Morán,

F.J.1; Andrés Doménech, I.1 1 Instituto Universitario de Ingeniería del Agua y Medio Ambiente, Universitat Politècnica de

València, Camí de Vera s/n, 46022 Valencia, España

davahue@cam.upv.es

En las soluciones de aumento de capacidad de desagüe de los aliviaderos de las presas de gravedad vertedero, la parte más comprometida y compleja desde el punto de vista técnico es la relativa a la obra de disipación de energía, normalmente cuenco amortiguador de resalto. Con el objetivo de poder aumentar esta capacidad de desagüe en presas ya existentes y que el cuenco funcione correctamente, se propone el emulsionamiento del flujo en la rápida mediante la disposición de aireadores en la misma [1].

La aireación artificial, además de disminuir o minimizar el riesgo de daños por cavitación, aumenta el calado del flujo y le hace perder velocidad. Por esto disminuye el número de Froude, generándose unas condiciones de entrada al cuenco menos exigentes para caudales mayores a los de diseño. Así, un determinado diseño de cuenco amortiguador puede resultar satisfactorio para un caudal mayor al inicialmente previsto.

De este modo, y como primera aproximación, para estudiar los posibles efectos que la aireación forzada del flujo en rápidas puede tener en el comportamiento del resalto hidráulico que se genere en el cuenco, se ha construido un canal (figura 1) en el Laboratorio de Hidráulica del Departamento de Ingeniería Hidráulica y Medio Ambiente (DIHMA) de la UPV.

Figura 1. Canal construido para el emulsionamiento del flujo.

La entrada del flujo al canal supone la transición del flujo en presión a lámina libre, con lo que requiere de una especial atención, pues es necesario emplear un dispositivo que asegure el reparto homogéneo de caudales a lo largo de la dirección transversal del canal. Así, se consigue generar un flujo supercrítico emulsionado con una concentración de aire conocida, pudiendo generar resaltos hidráulicos estacionarios para un rango de números de Froude entre 4,5 y 9.

El diseño del dispositivo está basado en el elemento de transición entre flujo a presión y lámina libre de Hager, H. 1992 [2, 3] siendo así una simplificación debido a la diferencia de tamaños entre los modelos. Se puede observar el diseño definitivo en funcionamiento en la figura 2.

Figura 2. Dispositivo para transición flujo en presión – lámina libre con emulsionamiento del flujo.

Figura 3. Modelación numérica del dispositivo de laboratorio.

El análisis mediante técnicas CFD (Computational Fluid Dynamics) ha permitido aumentar la eficiencia en el proceso diseño-construcción del dispositivo, permitiendo mejorar en la evolución de los mismos y corregir algunos aspectos antes de su construcción final. De este modo, en la evaluación del diseño inicial, se han detectado grandes zonas de recirculación que dan lugar a un gradiente transversal de velocidades en el flujo supercrítico que invalida el funcionamiento del dispositivo para el ensayo de los resaltos hidráulicos con mayores números de Froude. También se han detectado grandes velocidades en la embocadura del dispositivo que dan lugar a grandes pérdidas de carga.

Mediante el análisis CFD se han editado las posiciones y ángulos de los deflectores y la embocadura facilitando el reparto de los flujos a través del dispositivo para los caudales más desfavorables. Se ha comprobado así el funcionamiento tanto para flujos monofásicos como bifásicos con diversas concentraciones agua-aire, asegurando que las fuerzas de flotación inducidas por la variación de densidades no alteran el correcto funcionamiento del dispositivo.

La ejecución del modelo físico en laboratorio ha permitido comprobar el correcto funcionamiento del dispositivo. Así, se observa como la recirculación que tiene lugar en el interior no afecta significativamente al reparto equilibrado de caudales a través de los deflectores. Finalmente, este flujo supercrítico emulsionado generado permite ensayar los resaltos hidráulicos previstos para todo el rango de números de Froude y concentraciones de aire.

Referencias

[1] Fernández Bono, J.F., Vallés Morán, F.J., 2006: “Criterios Metodológicos de Adaptación del Diseño de Cuencos de Disipación de Energía a Pie de Presa con Resalto Hidráulico, a Caudales Superiores a los de Diseño”. AIHR, XXII Congreso Latinoamericano de Hidráulica Ciudad Guayana, Venezuela, octubre 2006.

[2] Kramer, K, 2004:”Development of Aerated Chute Flow”. PhD Thesis, Zürich.

[3] Schawalt, V.M., Hager, W.H., 1992:”Die Strahlbox”. Schweizer Ingenieur und Architekt Nr. 27-28, 6 Juli 1992.

El uso de la modelación física para la mejora del diseño de los aliviaderos de la Presa de Terrateig. Nueva solución constructiva y análisis de su funcionamiento hidráulico.

Tema D-Estructuras hidráulicas (primera opción) Francisco J. Vallés Morán(1), Pedro Millán Romero(1), Ignacio Andrés-Doménech(1), Miguel

Ángel Eguibar Galán(1), Eduardo Albentosa Hernández(1), José Sanfrancisco Talens(2) Nicolás Steegmann López-Dóriga (3)

(1)Universitat Politècnica de València. Instituto Universitario de Ingeniería del Agua y Medio Ambiente. Cno. de Vera s/n. 46022 Valencia.

(2)ACUAMED. Aguas de las Cuencas Mediterráneas. Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente. Pasaje Doctor Serra 2, 3º planta 46004 Valencia.

(3) ALTEC Infraestructuras. Calle Mesena 124. 28033 Madrid.

fvalmo@hma.upv.es

La velocidad del flujo al pie de los aliviaderos de presas, rápidas y caídas en encauzamientos y canalizaciones suele ser bastante elevada. En consecuencia deben disiparse grandes cantidades de energía mediante dispositivos o estructuras hidráulicas diseñadas al efecto.

Errores en el diseño de estos elementos pueden causar erosiones y socavaciones en el cauce de aguas abajo de los mismos, flujos supercríticos (con todas las consecuencias en el funcionamiento hidráulico), resaltos hidráulicos en zona no deseada, impactos contra las estructuras de aguas abajo… por lo que las consecuencias pueden ser nefastas, tanto para la propia estructura como para el entorno.

En el caso de las presas de gravedad, la disipación de energía se realiza fundamentalmente mediante el resalto hidráulico provocado por los cuencos amortiguadores de resalto. Este resalto tiene características especiales y toma una forma definida en cada caso, que depende fundamentalmente de la energía de la corriente a disipar, de la geometría del cuenco y sus elementos disipadores, y de la condición de contorno impuesta por el cauce aguas abajo. Por este motivo, el estudio en modelo físico reducido resulta prácticamente obligatorio para el diseño de este tipo de órganos de disipación de energía.

La modelación física reducida permite, en el caso particular de las presas, contemplar la interacción presa-cauce en avenida de una manera integral, permitiendo realizar las modificaciones oportunas sobre el diseño hasta alcanzar un comportamiento hidráulico óptimo del conjunto de un modo sencillo y económico. Por tanto, aunque el planteamiento metodológico de diseño de estructuras hidráulicas pueda seguir ciertas pautas generales, el desarrollo del mismo debe ser completado y analizado con ensayos sobre modelo físico reducido antes de ejecutar el prototipo.

En el caso de la presa de Terrateig (figura 1) sobre el río Vernissa afluente por margen izquierda del río Serpis, la ejecución del modelo físico reducido de la misma ha permitido alcanzar un comportamiento hidráulico conjunto óptimo de sus órganos de desagüe y de disipación de energía para todo el rango de caudales analizado, partiendo de un diseño original con serios problemas de funcionamiento hidráulico en situación de avenida que, afectando gravemente al cauce de aguas abajo, ponía en peligro la propia estabilidad de la obra (figura 2).

Figura 1. Presa de Terrateig (ttmm de Benicolet y Terrateig, Valencia).

Figura 2. Comportamiento del modelo físico en situación de Avenida de Proyecto (T=1000 años) para la solución proyectada (izquierda) y para la solución optimizada (derecha).

El modelo se ha desarrollado basándose en los criterios de semejanza de Froude, a partir los cuales, para este trabajo se considera adecuada una escala geométrica no distorsionada de 1/50. La capacidad de alimentación del modelo es de 0,148 m3/s, que puede reproducir con cierta holgura el caudal punta de la Avenida Extrema, que es de 1448 m3/s. Para la definición geométrica del modelo se han utilizado aparatos de medida con una tolerancia de ±0,1 mm. La base morfológica del modelo se ha realizado mediante el mecanizado de 174 bloques de porexpan con un robot (proceso CAD-CAM-ROBÓTICA), logrando así una elevada precisión en la geometría tanto del vaso del embalse como del cauce de reintegro. El cuerpo de presa se construye con hormigón elaborado mediante arena fina negra, aditivo fluidificante, acelerante y plastificante. Se lleva a cabo en distintas etapas, construyendo por separado los aliviaderos y estribos.

Tras la ejecución del modelo, se lleva a cabo una serie de grupos de ensayos, en los que se han ido implementando medidas correctoras sucesivas respecto al proyecto original, de manera aditiva e individual, para poder analizar aisladamente sus efectos. Este proceso ha sido escalonado y convergente hasta la definición completa de la solución final, en la que se asegura el adecuado funcionamiento hidráulico de los órganos de desagüe y del reintegro de caudales al río. Las principales actuaciones correctoras se sintetizan en la Tabla 1.

Actuaciones correctoras Mejora en el funcionamiento

Diente deflector intermedio de lanzamiento Aireación natural de la salida del agujero y estabilización del resalto

Prolongación hidrodinámica de pilas Reducción de la contracción del flujo

Eliminación de los cajeros intermedios en la zona de cuencos Mezcla lateral del flujo

Rebajamiento de la cota de los cuencos de resalto del aliviadero A1 Fijación del frente del resalto hidráulico

Eliminación de parte de los cajeros intermedios en la zona de rápidas Mejora de la aireación del agujero

Recrecido de los cajeros intermedios en la zona del deflector Evita el acampanamiento del chorro

Eliminación de los dientes curvos del trampolín semisumergido Fijación del resalto hidráulico y evita el lanzamiento del flujo al cauce

Adaptación del trampolín semisumergido Fijación del frente del resalto

Bloques amortiguadores intermedios y umbral terminal sobre la adaptación del trampolín semisumergido

Fijación del resalto hidráulico

Bloques amortiguadores intermedios sobre cuencos de resalto Rotura de vórtices para caudales bajos Tabla 1. Actuaciones correctoras propuestas

El conjunto de actuaciones correctoras propuestas e implementadas en el modelo físico, suponen el funcionamiento hidráulico óptimo de los órganos de desagüe (en todas sus partes constituyentes) y del reintegro de caudales al río, para las Avenidas de Proyecto y Extrema, así como para avenidas de mayor frecuencia, en ocasiones más exigentes en ciertos extremos.

Por último, cabe destacar la utilidad de la modelación física llevada a cabo con este trabajo, que ha permitido predecir y evitar funcionamientos anómalos futuros de esta infraestructura hidráulica. La corrección de cualquier comportamiento hidráulico indeseado tras la construcción de esta presa, hubiera resultado muy costoso, y problemático desde el punto de vista técnico.