Mejora de la seguridad hidrológica e incremento de la capacidad de embalse de presas de fábrica mediante la implementación de Canales Laterales de recogida de vertidos. Código de cálculo, validación experimental y proceso constructivo.
En un gran número de países y, particularmente, en España, se ha producido en los últimos años un incremento considerable de las exigencias de seguridad en diferentes tipos de infraestructuras, preocupando especialmente aquellas de alto riesgo potencial ante un fallo eventual. Uno de los ejemplos paradigmáticos de este tipo de infraestructuras son las presas, cuya rotura o fallo puede desencadenar un gran número de pérdidas humanas así como daños catastróficos sobre núcleos de población y otras infraestructuras situadas en el área de influencia de las inundaciones generadas.
El mencionado incremento de los requisitos de seguridad conlleva un aumento de los periodos de retorno considerados en las avenidas de diseño, aspecto que provoca que un gran número de presas en explotación necesiten una adaptación en el diseño de sus órganos de desagüe, por haberse construido conforme a criterios anteriores, menos conservadores, y por la actualización de los estudios hidrológicos derivada de la disponibilidad de series de datos hidrológicos más largas y fiables. En algunos casos, la consideración de avenidas de mayor periodo de retorno podría dar lugar a que las presas funcionasen en situación de sobrevertido por agotamiento de los resguardos, proceso para el que la mayoría de ellas no fueron diseñadas. La coyuntura económica actual exige soluciones que aseguren la seguridad de estas infraestructuras a un coste razonable.
Esta circunstancia ha motivado que un país puntero en ingeniería de presas como Estados Unidos haya publicado recientemente una guía técnica sobre protecciones de presas frente al sobrevertido, se trata del manual "Overtopping Protectionfor Dams" (https://www.fema.gov/media-library/assets/documents/97888), desarrollado por la U.S. Federal Emergency Managementque, si bien establece criterios generales de diseño, no incluye metodologías de dimensionamiento ni recomendaciones sobre el cálculo de este tipo de infraestructuras que resultan de gran complejidad debido a los escasos precedentes existentes en la literatura técnica. Dicho Manual, en cuya redacción han colaborado miembros de este equipo, fue presentado en Europa en el seminario internacional “Protections 2014”sobre protecciones de presas (http://bit.do/Protections2014) organizado en Madrid por los dos equipos de investigación que figuran en la presente propuesta (UPM y CIMNE).
Ante lo expuesto, se vislumbra un nuevo mercado a nivel mundial motivado por la demanda, desde el punto de vista del cálculo y del dimensionamiento, que en los próximos años puede producirse en el mundo de la ingeniería y construcción de protecciones de presas. En este sentido, el consorcio que integra esta propuesta tiene la intención de dar respuesta a esta demanda, integrando dentro de una misma herramienta el cálculo por métodos numéricos avanzados junto al diseño de prototipos de funcionamiento previamente certificados por un estudio científico que los valide.
El primer paso en esta iniciativa se centrará en las presas de fábrica, y más concretamente en las tipologías de presas de gravedad y arcos gruesos, que son las más comunes en España y están dentro de las más comunes en el mundo. En el caso de estas tipologías la situación de sobrevertido implicaría que el agua fuera vertida a lo largo de toda la coronación, en lugar de hacerlo solo por el aliviadero original, situación para la que estas presas no habrían sido diseñadas. Ambas situaciones son comparadas en las figuras 1 y 2.
Fig.1. Alzado y sección de presa de gravedad de hormigónvertiendo por el aliviadero inicialmente diseñado.
Fig. 2. Alzado y sección de presa de gravedad de hormigón en situación de sobrevertido. El pie de la presa puede verse erosionado de forma que el descalce producido comprometa la estabilidad de la misma.
En la situación de sobrevertido (figura 2) el agua discurre sobre toda la superficie del paramento de aguas abajo de la presa incidiendo con gran energía sobre el pie de la misma, que al estar sin proteger puede resultar descalzada. Este descalce, producido como consecuencia de la erosión a lo largo del pie, podría dejar la presa en una situación de inestabilidad, produciéndose fallo de la misma con consecuencias catastróficas.
Las protecciones en este caso se plantean como una pareja de canales o cajeros situados en ambos márgenes, a lo largo de todo el pie de la presa, cumpliendo una doble función de protección y de recogida, tal y como se muestra en la figura 3.
Fig. 3. Alzado y sección de presa de gravedad de hormigón en situación de sobrevertido con las protecciones en funcionamiento.
Adicionalmente, puede plantearse una ventaja añadida, que es la ampliación de capacidad de embalse en presas existentes que sí cumplan con la normativa. Este aspecto puede resultar ventajoso desde el punto de vista de una posible explotación hidroeléctrica, ya que la ampliación de capacidad de vertido conseguida con esta tipología permite aumentar la cota del nivel máximo normal (NMN) gracias a la reducción de la altura de lámina vertiente, manteniendo los resguardos exigidos por la normativa. Ello se traduce en un incremento considerable de la capacidad de generación hidroeléctrica, aumentando tanto la altura del salto como el volumen embalsado. La figura 4 refleja esta ventaja.
Fig. 4. Incremento del potencial hidroeléctrico que posibilita la implantación de esta tipología.
Como se ha indicado, actualmente no existen criterios para la definición de estas protecciones, lo que se debe, por un lado, a la complejidad hidráulica del fenómeno, a la gran cantidad de parámetros involucrados y, por otro, a las singularidades específicas de cada presa a proteger. Esto conduce a que la forma más eficaz de resolver el problema del diseño de la protección sea a través de una herramienta que incorpore un código de cálculo adaptado a las particularidades del fenómeno en base a los estudios en modelo hidráulico experimental y que permita la especificación de la protección independientemente de los datos geométricos e hidrológicos particulares de cada presa a proteger.
La herramienta a desarrollar incluiría, adicionales al propio proceso de cálculo, las recomendaciones y aspectos de diseño que se hayan validado durante la investigación realizada tanto a nivel de modelo físico como numérico. Asimismo se incorporará un módulo de optimización automático capaz de generar diseños óptimos a partir de las restricciones dadas.
Entidades participantes:
Este proyecto ha sido financiado por:
