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04 de julio de 2017 | por: Equipo Comunicación | 0 comentarios

Investigación en seguridad de presas y aliviaderos (IV)

Continuando con la serie de investigación en seguridad de presas y aliviaderos os presentamos un nuevo artículo, que constituye el cuarto de la serie y el segundo dedicado a la tecnología de bloques en forma de cuña (WSB).

Tras la descripción del fundamento de la tecnología y un estado del arte general de la misma, en la presente entrada se pretende finalizar con el estado del arte de esta tecnología mediante la descripción de la única obra ejecutada en España con la misma, la presa de Barriga (2007) y que en su momento constituyo el primer aliviadero en servicio (no experimental) ejecutado con esta tecnología.

También se hace mención al Seminario Internacional “Dam Protection against Overtopping”. Este Seminario se ha convertido en la referencia técnica de las tecnologías de protección de presas  frente al sobrevertido y fue promovido por el Grupo SERPA de la Universidad Politécnica de Madrid y CIMNE en su primera edición celebrada en Madrid en noviembre del 2014. Recientemente, en septiembre de 2016, se ha celebrado en Colorado (USA) la segunda edición, estando prevista la continuación del mismo en el Reino Unido para finales de 2018.

Por último se introducirán los proyectos de i+d ACUÑA (2011-2014) y DIABLO (2015-2017) que se están desarrollado en España bajo las convocatorias INNPACTO y RETOS por el consorcio PREHORQUI S.A.&CIMNE&U.P.M. y que hasta el momento ha generado una patente propia de WSB .

Estado del arte- El proyecto de la presa de Barriga (Burgos)

Descripción general

La presa de Barriga se enmarca dentro de un proyecto más amplio, financiado por la Dirección General de Infraestructuras y Diversidad Rural de la Consejería de Agricultura y Ganadería de la Junta de Castilla y León, cuyo objetivo es la puesta en regadío de unas 1000 Ha en la comarca del Valle de Losa, al Norte de Burgos. Además del embalse generado por la presa, que recoge las aportaciones de la cuenca (con una superficie de unos 20 km2) de los arroyos Horcón y Nabón, el proyecto incluye regulaciones adicionales mediante las balsas de Teza y Mambliga interconectadas mediante un sistema de conducciones, captaciones y bombeos. La presa, de escollera impermeabilizada con lámina en su paramento de aguas arriba, tiene una altura máxima de 17 m y genera un embalse de 0,5 hm3.

La cerrada y el vaso están formados por unas calizas tableadas muy karstificadas, de elevada permeabilidad, que obligan a impermeabilizar por completo la superficie inundada por el embalse. Desde el punto de vista hidrológico la cuenca se comporta como una torrentera, con caudales escasos o nulos en períodos de descarga del acuífero y aportaciones bruscas en invierno, cuando el acuífero está recargado, especialmente intensas cuando se combinan con episodios de deshielo. El caudal en avenida de proyecto es de 161 m3/s y de 229 m3/s en avenida extrema.

Esquema del sistema para riego en el Valle de Losa

Esquema del sistema para riego en el Valle de Losa. Fuente: ALATEC S.A.

El proyecto y construcción de esta obra ha involucrado investigaciones a nivel internacional (España, Portugal y Estados Unidos) durante casi dos años, con la intervención de equipos de experiencia contrastada en el análisis y aplicación de esta tecnología. El artículo resume las características más importantes de la obra, incluyendo los aspectos de diseño del bloque, su puesta en obra y el diseño de las distintas partes que componen el aliviadero. Finalmente, se analiza el campo de aplicación de la tecnología y se realiza una propuesta de las investigaciones a realizar en el futuro.

Arriba a la izquierda vista de la Presa de Barriga finalizada. Arriba la derecha y abajo, ejecución de las obras

Arriba a la izquierda vista de la Presa de Barriga finalizada. Arriba la derecha y abajo, ejecución de las obras. Fuente: ALATEC S.A.

Tras el estudio de soluciones del aliviadero de la presa, que incluía un aliviadero convencional de hormigón armado por margen derecha, se consideró más ventajosa la alternativa de aliviadero por encima del cuerpo de presa, mediante una protección con bloques en forma de cuña de hormigón prefabricado. Esta solución fue ensayada en modelo reducido en los laboratorios de la Colorado State University (Fort Collins, EE.UU.) y en el Laboratorio Nacional de Engenharia Civil (LNEC) (Lisboa, Portugal). En el primero de ellos, casi a escala real, se estudiaba el comportamiento singular del bloque, mientras que el segundo, a escala 1:25, sirvió para analizar el diseño de la embocadura y restitución del agua al cauce.

Sección tipo de la presa de Barriga por el aliviadero

Sección tipo de la presa de Barriga por el aliviadero

 

Hasta la fecha, el aliviadero ha entrado en funcionamiento en dos ocasiones, con caudales unitarios máximos de 0,5 m2/s. La dirección de las obras y su diseño definitivo fueron realizados por PYPSA, S.L. (Grupo ALATEC), con la asesoría de la Universidad Politécnica de Madrid, y la construcción por CONSTRUCTORA HISPÁNICA S.A.

Características del bloque

El diseño y fabricación del bloque fue realizado durante la construcción de las obras. Inicialmente se partió del bloque estándar tipo ArmorwedgeTM que fue el ensayado (Thornton, Robeson, M.D., Varyu, D.R. 2006) en modelo físico en la Colorado State University (en adelante CSU) y, por lo tanto, el diseño preliminar a partir del cual se realizaron las modificaciones que dieron origen al bloque utilizado en la presa de Barriga (Armortec Erosion Control Solutions 2006). Las diferencias principales entre ambos se presentan en la Tabla 1.

Las modificaciones realizadas tenían como objetivo principal mejorar la seguridad global de la presa. La justificación técnica del cambio en las dimensiones de la pieza se basó en el factor de escala (1,6) entre los calados de proyecto y los que se pudieron llegar a ensayar en el canal de CSU (Frizell 2007). Además, estas dimensiones mejoraban la vulnerabilidad frente a los ciclos hielo-deshielo y la seguridad frente al vandalismo. En el ensayo de CSU se realizó una medida de la fuerza necesaria (entre 200 kp y 1000 kp, para el bloque ArmorwedgeTM de 22,7 kp de peso) para extraer un bloque de su ubicación una vez colocado. La mejora de la calidad del hormigón permite aumentar la resistencia al impacto, importante para soportar posibles golpes de cuerpos flotantes.

Diferencias entre el bloque ArmorwedgeTM y el de la presa de Barriga

 

El orificio interno, transversal al bloque, permite incluir en su interior un cable para solidarizar el bloque con los de su misma fila, dificultando su posible extracción por causas imprevistas. Además resulta muy útil para el transporte y colocación del bloque. La convergencia de las caras laterales opuestas y el remate redondeado de las aristas se adoptaron para facilitar el desmolde de las piezas y la rotura de los bordes en arista viva. 

Arriba, vista 3D del bloque del aliviadero de Barriga. Abajo, simulación 3D de disposición de bloques en obra

Arriba, vista 3D del bloque del aliviadero de Barriga. (Fuente: Armortec, Inc.). Abajo, simulación 3D de disposición de bloques en obra (Fuente: K. Frizell)

Protección del canal de descarga con bloques en forma de cuña

El canal de descarga, de sección trapecial, de 20 m de anchura en el fondo, está formado por las filas de bloques en forma de cuña. El fondo del canal es paralelo al talud aguas abajo de la presa, y su altura es de 2 m, medidos hacia el interior del espaldón. Los taludes laterales que delimitan la sección transversal también se protegen con bloques y tienen un valor de 2.

La disposición de los bloques entre filas sucesivas se realiza de tal forma que no coincidan las juntas correspondientes a hileras consecutivas para disminuir las filtraciones en estos planos. Para ello se utilizan medios bloques en los extremos de filas alternas (figura 11). Los puntos singulares que forman las uniones entre las distintas zonas de protección se corresponden con la unión entre la solera y los taludes del canal de descarga; la embocadura y el canal de descarga (en la parte superior del canal), y el canal de descarga y el trampolín (en la parte inferior del canal).

         

Vista del canal de descarga y de la disposición general de los bloques

Vista del canal de descarga y de la disposición general de los bloques

Este aspecto fue objeto de análisis durante la fase de diseño y tras el estudio de referencias anteriores y su discusión por parte del equipo de proyecto se decidió optar por las siguientes soluciones:

    1. Unión entre solera y taludes. Se diseñó mediante un cordón de hormigón armado con juntas cada 3 m, dando continuidad al escalonado de ambos planos.
    2. Unión entre embocadura y canal de descarga. El objetivo era que la fila superior de bloques quedara fijada en su extremo superior por la losa de homigón armado, iniciando desde este punto el escalonado y buscando la orientación adecuada en la salida para evitar despegues de la lámina.

Uniones entre solera y taludes y entre embocadura y canal de descarga

      1. Unión entre canal de descarga y trampolín. La fila inferior de bloques queda apoyada sobre el trampolín de lanzamiento que restituye los caudales al río. Para su ejecución se dejó una hendidura en la zona de encuentro del trampolín donde, una vez nivelada, se recibió la fila de bloques con mortero de cemento (figura 10). Una vez colocada esta primera fila se disponen sucesivamente el resto, de abajo a arriba.

Los bloques se apoyan sobre una capa de material granular que debe cumplir varias funciones: regularización para un correcto apoyo del bloque, drenaje del caudal filtrado por las juntas entre bloques, filtro del material del cuerpo de presa para evitar la migración de partículas a causa de la succión. A su vez, el material del cuerpo de presa debe ser filtro del material de apoyo de los bloques. Si no es así debería disponerse una transición entre ambos.

Los seminarios internacionales PROTECTIONS. Madrid 2014 y Colorado 2016

En este línea de investigación, y dentro de las actividades del Grupo SERPA (UPM) debe resaltarse la promoción y organización en noviembre del año 2014, en la Escuela de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de la Universidad Politécnica de Madrid el Seminario Internacional Protections 2014.

Como su nombre indica el seminario versó sobre diversos tipos de soluciones no convencionales mediante protecciones para aliviaderos en pequeñas presas o balsas de riego, entre las cuales destaca el papel de los WSBs.

El Seminario resultó un éxito a nivel técnico y organizativo puesto que contó con 76 inscritos, participación de los cinco continentes y 21 nacionalidades diferentes, contando a su vez con el apoyo institucional de ICOLD, SPANCOLD, CEDEX e IAHR que son los organismos más representativos a nivel nacional e internacional en ingeniería de presas.

Además, y como muestra de la intención por parte de los norteamericanos de potenciar este tipo de soluciones se presentó en Europa el Manual de la Federal Emergency Management Agency (FEMA) de los U.S.A.: “Overtopping Protection for Dams”, donde la presa de Barriga aparece como uno de los principales ejemplos de realización de obra con protecciones ( ). Este Manual es un texto divulgativo y claro, recomendándose su lectura para una primera aproximación a este tipo de soluciones.

Nacionalidades asistentes al Seminario del año 2014 celebrado en Madrid y organizadores y promotores del mismo 

Por último, respecto al Seminario Protections 2014, debe resaltarse que dio lugar a la publicación internacional de un libro en el que se difunde el estado del arte de las investigaciones llevadas a cabo hasta el año 2014 en estos campos y que es distribuido por la prestigiosa editorial técnica Balkema.

Como consecuencia del éxito cosechado en Protections 2014, la delegación norteamericana, encabezada por el profesor Christopher I. Thorton (Colorado State University), y William Fiedler, ingeniero del Bureau of Reclamation de USA, se han encargado con el apoyo del Grupo SERPA de la Universidad Politécnica de Madrid de la coordinación y organización de la segunda edición del Seminario, celebrado entre el 7 y el 9 de septiembre del pasado año (2016) en la Colorado State University (USA). Además de la organización por parte de estos organismos el Seminario contó también con la colaboración de CIMNE y el apoyo institucional de SPANCOLD, el Bureau of Reclamation, el Comité Norteamericano de Grandes Presas (USSD).

Además, las ponencias presentadas en el mismo están disponibles de forma gratuita en la librería virtual de la Colorado State University (CSU).

Vista de la ubicación de las comunicaciones de Protections 2016 en la librería virtual de la Colorado State University

Además, como consecuencia del interés suscitado se ha creado un foro, en forma de blog, en el que se pueden realizar aportaciones externas y se pretende que se centralice la información más reciente sobre todo tipo de tecnología de protecciones frente al sobrevertido.

La decidida implicación de los norteamericanos ha dado el impulso definitivo al Seminario, cuya tercera edición esta prevista que se celebre en el Reino Unido a finales del año 2018 o principios de 2019.

Con todo esto se pretende dar un impulso definitivo a estas soluciones “no convencionales” pero cada vez más habituales y en especial a los WSBs.

Los proyectos de i+d en España: Acuña y Diablo

Introducción. objetivos de los proyectos

Como se comentó introdujo en post anteriores (Investigación en seguridad de presas y aliviaderos III), entre los años 2011 y 2017, el Grupo SERPA, de la UPM, CIMNE y la empresa PREHORQUISA, con la colaboración del Centro de Experimentación de Obras Públicas (CEDEX), han pretendido complementar los conocimientos teóricos y prácticos de la tecnología de los WSB (Caballero et al, 2014), para hacer de esta tecnología una opción más, a disposición de los profesionales, a considerar en el diseño de un aliviadero de un dique de tierras. La comunicación pretende ofrecer un resumen de estos estudios llevados a cabo dentro de los proyectos ACUÑA (IPT- 2011-0997-020000) y DIABLO (RTC-2014-2081-5) financiados por el Ministerio de Ciencia e Innovación del Gobierno de España.

Estos proyectos han hecho hincapié en:

    1. Caracterizar las presiones en la cara superior del bloque y en la parte frontal de la contrahuella, estableciendo un criterio para determinar cuando existe riesgo de cavitación. En este sentido se han comparado los resultados obtenidos en el modelo físico ubicado en el CEDEX con los existentes hasta el momento y se han medido por primera vez valores en la contrahuella de los escalones.
    2. Explicar el patrón de funcionamiento hidráulico; condiciones en que los huecos del escalón quedan libres o anegados, con formación de vórtice o de cualquier otra manera (esto afecta a la cantidad de agua que pasa al drenaje de la presa a través de los orificios), y funcionamiento de la capa de drenaje bajo los bloques en función de la tipología de dique. Hasta el momento, se ha obtenido tanto numérica como físicamente el comportamiento de bloques y drenaje bajo los mismos en el caso de ubicarse en el espaldón de una presa de escollera. En los próximos meses se prevé obtener resultados sobre presas de tierra con espaldones no permeables desde el punto de vista de ensayos físicos que servirán de contraste/calibración a modelos numéricos ya realizados.
    3. Definir un nuevo bloque (WSB), que sea capaz de mejorar el rendimiento de los actuales, habiéndose presentado durante el año 2016 una patente con este producto (ES2595852) actualmente en trámite, basándose en los resultados obtenidos hasta el momento en los mencionados proyectos.
    4. Dar respuesta a la demanda del cálculo y del dimensionamiento de aliviaderos con esta solución concreta de protección de una forma integral, mediante una herramienta numérica, aún en desarrollo pero de la que ya se dispone de una primera versión beta.
    5. Estudiar la variación del tipo de material a emplear en la fabricación de los bloques, evaluando la utilización en dicho proceso de hormigones no convencionales, tales como por ejemplo, hormigones con fibras; estando esta parte de la investigación actualmente en marcha.

Modelación física

Los ensayos en modelo físico constituyen una de las tareas fundamentales, ya que de los resultados obtenidos, en combinación con los resultantes de la aplicación de la modelación numérica, permiten extraer las principales conclusiones del proyecto evaluando a partir de estas el cumplimiento de los objetivos establecidos.

Ensayos previos

La primera labor llevada a cabo en el proyecto ACUÑA, tras su planificación, fue la determinación de la instrumentación a emplear en el modelo físico definitivo que se construiría en el Centro de Estudios Hidrográficos (CEH) del CEDEX.

Finalmente, en el Laboratorio Hidráulico del E.T.S. Ingenieros de Caminos de la Universidad Politécnica de Madrid, se  testaron dos tipos de instrumentación para registrar las presiones generadas por el flujo de agua sobre los WSB, fueron: sensores scanivalve y transductores de presión.

a) Bloque WSB de medición de metacrilato con toma de datos a través de scanivalve; b) Bloque WSB de medición de metacrilato con toma de datos a través de transductores de presión.

a) Bloque WSB de medición de metacrilato con toma de datos a través de scanivalve; b) Bloque WSB de medición de metacrilato con toma de datos a través de transductores de presión. Fuente: Dam Protections against Overtopping and Accidental Leakage, Ed. Balkema

Las pruebas se realizaron en un canal de 0,30 m de ancho y 7 m de largo, donde se instaló un bloque en forma de cuña de metacrilato en el interior del canal, con dimensiones escaladas a 1/3 de la unidad del WSB de la presa de Barriga y se registraron presiones de agua en varios puntos del bloque para caudales circulantes de entre 3 l/s y 15 l/s.

Salto y WSB preparado para prueba de medición en laboratorio. Fuente: Dam Protections against Overtopping and Accidental Leakage, Ed. Balkema

Salto y WSB preparado para prueba de medición en laboratorio. Fuente: Dam Protections against Overtopping and Accidental Leakage, Ed. Balkema

Se llevaron a cabo numerosas pruebas de ensayo, con y sin escalón, con medición de la presión mediante conexión a los sensores del bloque con conductos de polietileno más cortos y más largos, con diferentes diámetros de los mismos conductos, etc. A partir de las pruebas se concluyó que ambos tipos de instrumentación para medir la presión del agua sobre los bloques era válida para el propósito del modelado físico por lo que en el modelo definitivo se implantarían bloques de medición con ambos sistemas

Descripción del recinto de ensayo

Para la construcción del modelo físico se acondiciono un depósito existente en la nave de ensayos del CEH del CEDEX. Se trata de un depósito prismático de sección 2,5×2,5 m² y 6 m de altura. En su parte superior se ejecutó una ventana de 0,5 m de ancho y 0,7 m de alto en la pared del depósito a 4,7 m del suelo. Unas chapas metálicas ligeramente curvadas situadas en el interior del depósito a los lados de la ventana encauzan el agua que sale del mismo hacia el canal de WSB. 

Para controlar mejor el punto donde se produce el calado crítico y para asegurar la adecuada salida de agua del depósito, la ventana desemboca en un canal horizontal de 0,5 m de anchura, 0,75 m de altura y 1,5 m de longitud. Tras este canal comienza la rápida de ensayos, de pendiente 1v:2h, unida al canal horizontal anterior mediante piezas laterales especiales de metacrilato y un fondo de cemento blanco.

Instalación para ensayos

Instalación para ensayos. Fuente: Dam Protections against Overtopping and Accidental Leakage, Ed. Balkema

La rápida de ensayos es un canal de metacrilato de 0,5 m de ancho y 0,85 m de alto (dimensiones interiores) con una superficie de tramex antideslizante destinada al soporte de las piezas de ensayo colocada a 0,2 m del fondo del canal. La finalidad de esta superficie de tramex es poder ensayar las piezas en situación de drenaje y medir el caudal que se filtra entre las piezas y escurre por el fondo de la rápida.

Este caudal filtrado se recoge al final de la rápida a través de un tubo que desagua en un aforador con vertedero triangular y luego es devuelto al circuito de bombeo. La rápida desemboca en una arqueta de dimensiones suficientes para tranquilizar el agua de forma que el caudal pueda ser aforado mediante un vertedero de pared delgada antes de ser devuelto al circuito.

Instrumentación

La instrumentación que se ha dispuesto en el modelo físico puede agruparse en cuatro grandes bloques:

        • Sistema hidráulico. En el que se incluye la medida de niveles y de caudales circulantes y para lo que se han instalado:
        • Caudalímetro electromagnético (en la bomba de alimentación).
        • Aforador con vertedero de pared triangular para medir el caudal de las filtraciones que se producen a través de las piezas para los distintos caudales de ensayo.
        • Limnímetros, ya que ha sido necesario medir el nivel de la lámina de agua en distintos puntos: dentro del depósito, en el inicio de la rápida, en la arqueta de retorno y en el aforador de filtraciones.
        • Sistema de medición de presiones. Para el que se cuenta con:
        • Transductores de presión sumergibles Messtech XA-700, que se encuentran instalados en una pieza de ensayos  y 1 scanivalve modelo DSA3207 de Scanivalve Corp. con 16 tomas que se disponen en otra pieza de ensayos.

Se ha dispuesto también de dos piezas de metacrilato idénticas a las piezas prefabricadas de hormigón en forma de cuña y que se diferencian de las mismas en el material y en la disposición en las mismas de los sensores de presión. Estas piezas que se sitúan en diferentes filas del canal (en el que existen 47 filas de piezas de hormigón) en cada ensayo, se emplean para la medición y transmisión de las presiones en puntos de la zona superior e inferior de las cuñas y en la pared vertical del escalón .

a) bloque en forma de cuña de metacrilato con sensores para medición de presiones b) dispositivo para instalación de scanivalve en laboratorio c) and d) dispositivo para instalación de sensores con transductores de presión en laboratorio

a) bloque en forma de cuña de metacrilato con sensores para medición de presiones b) dispositivo para instalación de scanivalve en laboratorio c) and d) dispositivo para instalación de sensores con transductores de presión en laboratorio. Fuente: Dam Protections against Overtopping and Accidental Leakage, Ed. Balkema

 

          • Sistema de medición de concentración de burbujas de aire en el flujo bifásico agua-aire. Permite obtener en cada punto de medida el porcentaje de burbujas en el flujo bifásico agua-aire, y determinar así el calado de dicho flujo mediante la definición del límite de la denominada superficie libre con un criterio preestablecido.

La adquisición de datos se lleva a cabo mediante un equipo cDAQ y sus módulos correspondientes, de National Instruments. Adicionalmente se dispone de tres cámaras de fotos con función de video con sus correspondientes soportes para grabación de los ensayos.

Localización de sensores de presión en uno de los WSB de metacrilato para medición

Localización de sensores de presión en uno de los WSB de metacrilato para medición. Fuente: Dam Protections against Overtopping and Accidental Leakage, Ed. Balkema

El detalle sobre los resultados obtenidos en la modelación física, así como la modelación numérica y la comparación de resultados entre los mismos y la generación de la nueva patente lo veremos más adelante, en post posteriores.

Sobre esta misma temática también os puede interesar:

Investigación en seguridad de presas y aliviaderos (I)

Investigación en seguridad de presas y aliviaderos (II)

Investigación en seguridad de presas y aliviaderos (III)

Autor: Francisco Javier Caballero, profesor del Máster en Diseño, Construcción y Explotación de Obras Hidráulicas 

Máster en Diseño, Construcción y Explotación de Obras Hidráulicas

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