Validación del método de predicción de direcciones principales de drenaje subterráneo en macizos anisótropos, en los terrenos volcánicos del macizo de Anaga, Tenerife

Actualmente y desde hace ya más de 25 años, el Método de “Predicción de las Direcciones Principales de Drenaje Subterráneo en Macizos Anisótropos”, ha sido utilizado con éxito en diferentes terrenos Kársticos como: calizas, yesos, cuarcitas, pizarras, granitos y criokarst (karst en el hielo glaciar). Sin embargo hasta ahora, nunca se había validado en terrenos volcánicos donde está focalizada esta tesis que lleva por título, Validación de dicho Método en los Terrenos Volcánicos del Macizo de Anaga en Tenerife. Este Método matemático consiste esencialmente en “Predecir y Cuantificar” las direcciones principales de drenaje turbulento subterráneo en macizos anisótropos. Para ello se basa en el estudio realizado en campo de los tectoglifos o deformaciones permanentes del macizo, impresas éstas en la roca, como consecuencia de los esfuerzos tectónicos a los que ha estado sometido dicho macizo. Se consigue de esta manera cubrir el vacío para macizos anisótropos que existe con el modelo matemático de flujo subterráneo laminar (macizos isótropos) definido por Darcy (1856). Para validar el Método se ha elegido el macizo de Anaga, pues es la zona de mayor anisotropía existente en la isla de Tenerife, conformada por una gran y extensa red de diques de diversas formas y tamaños que pertenecen a la familia de diques del eje estructural NE de la isla. En dicho macizo se realizó un exhaustivo trabajo de campo con la toma 331 datos (diques basálticos) y se aplicó el Método, consiguiendo definir las direcciones preferentes de drenaje subterráneo en el macizo de Anaga. Esta predicción obtenida se contrastó con la realidad del drenaje en la zona, conocida gracias a la existencia de cinco galerías ubicadas en la zona trabajo, de las cuales se tiene información sobre sus alumbramientos. En todos los casos se demuestra la bondad de la predicción obtenida con el Método. Queda demostrado que a mayor caos geológico o geotectónico, se ha conseguido mejor predicción del Método, obteniéndose resultados muy satisfactorios para aquellas galerías de agua en las que su rumbo de avance fue coincidente con la dirección perpendicular a la obtenida con la predicción dada por el Método, como dirección preferente de drenaje en la zona en la que se encuentra ubicada cada galería. No cabe duda que la validación de Método en los terrenos volcánicos de Tenerife, supondrá un cambio considerable en el mundo de la hidrogeología en este tipo de terrenos. Es la única herramienta matemática que se dispone para predecir un rumbo acertado en el avance de la perforación de las galerías de aguas, lo que conlleva al mismo tiempo un ahorro importantísimo en la ejecución de las obras. Por otro lado, el Método deja un importante legado a la sociedad canaria, pues con él se abren numerosas vías de trabajo e investigación que generarán un importante desarrollo en el mundo de la hidrogeología volcánica. ABSTRACT Currently and for over 25 years now, the Method of "Prediction of Subsurface Drainage Main Directions in Anisotropic Massifs" has been successfully used in various karstic terrains such as: limestone, gypsum, quartzite, slate, granite and criokarst (karst in the glacier ice). However, until now, it had never been validated in volcanic terrains where is focused this thesis entitled Validation of such Method in the Anaga Massif Volcanic Terrains, in Tenerife. This mathematical method is essentially "predict and quantify" the main directions of groundwater turbulent drainage in anisotropic massifs. This is based on field study of tectoglifes or permanent deformation of the massif, printed on the rocks as a result of previous tectonic stresses. Therefore it is possible to use in anisotropic rock mathematical model instead of the isotropic laminar flow mathematical models defined by Darcy (1856). The Anaga Massif have been chosen to validate the method, because it presents the greatest anisotropy in Tenerife Island, shaped by a large and extensive network of dikes of various shapes and sizes that belong to the family of NE structural axis dikes of the island. An exhaustive field work was carried out in such massif, with 331 collected data (basaltic dikes) and the method was applied, in order to define the preferred direction of the underground drainage in the Anaga massif. This obtained prediction was contrasted to the reality of the drainage in the area, known thanks to the existence of five galleries located in the work area, from which information about their springs was available. In all cases it was possible to demonstrate the fitness of the prediction obtained by the method. It had been demonstrated that a greater geological or geotectonic chaos enhances a better prediction of the method, that predicted very satisfactory results for those water galleries which directions were perpendicular to that predicted by the Method as a drainage preferential direction, for the zone where was located each gallery. No doubt that the validation of the use of the Method in the volcanic terrain of Tenerife, means a considerable change in the world of hydrogeology in this type of terrain. It is the only mathematical tool available to predict a successful drilling direction in advancing water galleries, what also leads to major savings in execution of the drilling works. Furthermore, the method leaves an important legacy to the Canary Islands society, because it opens many lines of work and research to generate a significant development in the world of volcanic hydrogeology.

Hidrogeología del Karst de Pico Frentes (Cordillera Ibérica, España)

El sistema kárstico de Pico Frentes se ha desarrollado a favor de un conjunto calcáreo del Cretácico Superior cuya geometría plegada muy bien definida ha condicionado que los acuíferos se sitúen principalmente en tres sinclinales hidráulicamente conectados, con una capacidad de reservas subterráneas de entre 5 y 7 hm3. La recarga en este acuífero libre y en penillanura es autógena y difusa. El flujo subterráneo va dirigido a gran escala por el fondo de los sinclinales y a pequeña escala mediante corrientes subterráneas hacia los manantiales de Fuentetoba (210 l/s) y nacimiento del rio Mazos (50 l/s), surgiendo en aguas altas otras descargas menores. El análisis de los hidrogramas de estos manantiales indica un sistema de régimen muy variable y poco poder de regulación natural, característica de un acuífero típicamente kárstico, con gran capacidad de renovación y poco tiempo de residencia. Gracias a la simulación de los hidrogramas de estas surgencias mediante un modelo matemático de precipitación –escorrentía, se ha cuantificado de manera detallada el balance hidráulico medio para una serie de 20 años: aportación pluviométrica 16,86 hm3 (100%), recarga natural 8,35 hm3 (49,53%), EVT 8,50 hm3 (50,41%), bombeo de agua subterránea 0,01hm3 (0,06%), escorrentía superficial 0 hm3, transferencias subterráneas a otros acuíferos 0 hm3.

Aproximación al registro paleoambiental de la cueva de Goikoetxe (Busturia): Evidencias sedimentarias y paleontológicas

Aproximación al registro paleoambiental de la cueva de Goikoetxe (Busturia): Evidencias sedimentarias y paleontológicas

Desarrollo de metodología para la determinación de los coeficientes de fricción estático y dinámico de diferentes especies de madera

En el presente trabajo se desarrolla una metodología para poder determinar los coeficientes de fricción tanto estático como dinámico aplicable a diferentes especies de madera. Para desarrollar dicha metodología se utilizan las instalaciones que posee la Plataforma de Enxeñería da Madeira Estructural (PEMADE) donde hay una mesa que permite la realización de ensayos de rozamiento. Se realizan ensayos utilizando una especie de madera muy usada en estructuras como es la Picea abies (L) Karst. La humedad de la madera es del 12%, ya que según indica la actual norma UNE-EN 408, los ensayos para la determinación de las propiedades físicas y mecánicas de la madera estructural se deben de hacer con ese contenido de humedad. Finalmente, decir que este trabajo de investigación sienta las bases para realizar posteriores campañas de ensayos con esta base metodológica que permitan, para diferentes especies de madera y humedades, obtener rangos de valores de los coeficientes de rozamiento estático y dinámico para las principales especies de madera de uso estructural. This research develops a methodology to determine the coefficients of both static and dynamic friction apply to different species of wood. To develop such a methodology is used the installations owned by the Plataforma de Enxeñería da Madeira Estructural (PEMADE) where there is a table that allows testing of friction. Tests are carried out using a wood species normally used in structures such as Picea abies (L) Karst. The wood moisture content is 12%, and that, according to the current UNE-EN 408 norm, the tests for determining the physical and mechanical properties of structural timber should do with that moisture content. Finally, it can say that this research provides the basis for subsequent test campaigns with this methodological basis to obtain, for different wood species and moisture, the ranges of values of the coefficients of static and dynamic friction for major wood species for structural use.

Comprobación del “Método Eraso” en la galería de agua “El Arroyo”, en el macizo de Anaga, Tenerife.

De la Tesis que se está redactando en estos momentos “Validación del Método Eraso en Terrenos Volcánicos del Macizo de Anaga - Tenerife”,se ha extraído una de las varias conclusiones con éxito obtenidas, que es el caso concreto de la galería El Arroyo por dos razones importantes, una que es la más caudalosa de todas y tiene actualmente el mayor caudal aforado. Y la otra razón, que es la única que presenta dos rumbos bien diferenciados, por lo que se tiene la oportunidad de comprobar en ambos casos y sin más variables posibles que la propia del terreno, el Método Eraso de “Predicción de las Direcciones Principales de Drenaje Subterráneo en Macizos Anisótropos”.Hasta la fecha, el Método Eraso se ha validado en terrenos de comportamiento anisótropo como: karst, yesos, cuarcitas, criokarst (karst en el hielo glaciar), etc. pero nunca se había validado en terrenos volcánicos, donde está centrada la tesis y concretamente en la zona de mayor anisotropía existente en la isla de Tenerife, ya que el Macizo de Anaga es un escudo de materiales muy antiguos, conformado por una gran y extensa red de diques que pertenecen a la familia del eje estructural NE de la isla.

La hidráulica kárstica como aplicación de la hidrodinámica general. Estudio del flujo en un terreno yesífero fisurado

Se pretende plantear y desarrollar algunas de las leyes clásicas de hidrodinámica introduciendo las características que permiten su aplicación al flujo subterráneo en general y a la hidráulica kárstica en particular. Se estudia la consideración de si el movimiento del agua subterránea en el karst se puede definir como flujo a través de conductos individuales o como un medio continuo con huecos saturados en una matriz sólida. Los trabajos de Hagen (1839) y Poiseuille (1846), junto con los de Darcy (1856) configuran la referencia básica para este estudio (in Crespo, 2006). A ellos puede añadirse también las aportaciones de Couette y Chezy (Rouse, 1951) para flujo libre sobre superficies rocosas. Se presentan varios casos en los que las leyes del movimiento laminar unidireccional ofrecen soluciones que pueden ser válidas para la definición de los parámetros fundamentales del flujo del agua en el subsuelo.

Technical criteria for the desing of foundation slabs and perimetral wall in difficult terrain in Madrid. Spain

This paper explains a procedure for the choice of ballast modules used for the design of direct continuous foundation in karst terrain. The presence of dangerous cavities is introduced in this procedure thereby evaluating risk failure. It also provides pertinent guidelines to direct the geotechnical survey of the terrain.

Technical criteria for the design of foundation slabs and perimetral wall in difficult terrain in south east Madrid, Spain

This paper explains a procedure for the choice of ballast modules used for the design of direct continuous foundation in karst terrain. The presence of dangerous cavities is introduced in this procedure thereby evaluating risk failure. It also provides pertinent guidelines to direct the geotechnical survey of the terrain.

La habitación subterránea en la Península Ibérica : investigación geológica

La habitación rupestre en la Península Ibérica conforma un amplio conjunto de manifestaciones cuyos orígenes son difíciles de dilucidar. Existen conjuntos primitivos, posiblemente horadados durante la Antigüedad Clásica y Tardía, y otros que probablemente se originaron y excavaron en la Alta Edad Media, en los que se mezclan grupos de origen religioso y otros de probable uso defensivo. El conjunto peninsular es sin duda el más variado de Europa Occidental, pues recibió influencias árabes y usos de la cristiandad antigua, importados de Oriente Próximo, que por tanto relacionan estas manifestaciones con otras del arco mediterráneo. La supervivencia del uso de las cuevas a lo largo de la Baja Edad Media -una vez afianzada la Reconquista- es una incógnita, pero los usos rupestres volvieron a generalizarse en ciertos sectores de la Península durante la Edad Moderna, toda vez que el hábitat cuevero manifestó una eclosión relacionada con la peripecia de los moriscos, primero desterrados de sus habitaciones en el Sur y Este peninsular y luego expulsados en los albores del siglo XVII. Los que quedaron, nominalmente conversos, debieron habitar de nuevo cuevas en sus lugares de origen. Esos núcleos son los más abundantes, particularmente en la provincia de Granada y aledañas. Este substrato fue seguramente el punto de apoyo para la proliferación de las cuevas de habitación a partir del siglo XIX, en el cual un creciente proletariado agrícola y urbano necesitó de alojamientos baratos y no hizo sino imitar usos preexistentes, que se pueden rastrear en muchos de los núcleos rupestres que sobrevivieron mayoritariamente hasta bien entrado el siglo XX, y que se abandonaron gradualmente a partir de los años 60 de esa centuria. Para entonces, existían barrios de cuevas extensos en muchas provincias, destacando, aparte de las andaluzas, ciertas zonas de la Cuenca del Ebro (aragonesa, navarra y riojana), del arco periurbano de Valencia, del Sur de Madrid, de la Mancha toledana, o de las provincias de Albacete, Guadalajara, Murcia e incluso de Palencia. Los núcleos antiguos se excavaron -en razón de su origen dedicado a defensa y refugio- en lugares poco accesibles, que mayoritariamente se dan en relieves anfractuosos, en las orlas marginales detríticas y carbonatadas de las cuencas terciarias y en terrenos más antiguos de la geológicamente denominada Cuenca Vasco Cantábrica, en las cuales florecieron centros de eremitismo del primitivo condado de Castilla. También son lugares inaccesibles los riscos asomados a cantiles fluviales, cuya regularización morfológica natural ha sido causa de la ruina de múltiples hipogeos que se labraron con las mismas intenciones de refugio, defensa o retiro espiritual. Los núcleos modernos se han excavado ya en terrenos más propicios (los que componen las cuencas terciarias o "España arcillosa", mayoritariamente), y por ello observamos cómo abundan las litologías sedimentarias, que son aquellas en las que se horadaron casi todas las "colmenas" de habitación moderna en la Península. En unos casos y otros, existen rasgos comunes en lo relativo a la litología y comportamiento de los materiales excavados, y también en lo relativo a su evolución, meteorización y conservación. Se han estudiado por ello estas pautas comunes -como un posible avance para el establecimiento futuro de estudios de geoconservación del patrimonio rupestre habitado-, que se traducen en la determinación de los procesos de meteorización más característicos en los antros de la Península Ibérica -sean modernos o antiguos- y en la determinación de las relaciones más habituales entre geomorfología y tipología de las cuevas de habitación. También se exponen algunas conclusiones relativas a la resistencia de los tipos pétreos en relación a la antigüedad de los emplazamientos. Esta relación se explica bien si tenemos en cuenta que las cuevas antiguas trataban de ser lugares apartados en los que dominan rocas más resistentes -como se ha explicado- y que en las modernas se ha buscado la habitación permanente, en los materiales más blandos ocupan las depresiones terciarias del Centro, Este y Sur de la Península, colonizados no ya como refugios sino de modo seguro, y ya en arrabales "extramuros" de las ciudades. Geomorfológicamente, esta razón histórica tiene consecuencias sobre la posición de las cuevas, sobre su organización, y sobre su conservación. La extensión del dominio estudiado obliga prácticamente a bosquejar algunas de estas conclusiones geológicas, pero permite a su vez proporcionar una visión global acerca del patrimonio troglodítico desde una perspectiva geológica, y en ello radica la principal novedad de la investigación. Cave dwelling in the Iberian Peninsula comprises a great deal of examples whose origins are sometimes difficult to elucidate. There are primitive groups of caves, probably belonging to Classical and Late Antiquity, and other settlements that appear to have been created and excavated in the Early Middle Ages. Some of them are due to religious reasons and some others may probably have served for defensive uses. The Peninsular group is very likely the most diverse in Western Europe, for it was not only influenced by Arabs, but it also assimilated uses from the Antique Christendom, imported from the Middle East. In this sense, Iberian cave dwellings connect with those of the Mediterranean area. There is not total certainty about the survival of caves serving for dwelling throughout the Late Middle Ages, once the Reconquista was a fact. However, underground excavations for human habitation were once again dispread in certain zones of the Peninsula during the Early Modern period. This growth of underground habitats appears in connexion with Morisco’s vicissitudes; first of all, their removal from their settlements in South and Eastern Peninsula, and finally their expulsion from Spanish territory at the very beginning of XVII th century. Those of them who rested in Spain –and that were nominally “converts”- seem to have returned to cave dwelling in their places of origin, particularly in the province of Granada and its neighbouring zones. This substrate may have been the toehold for a new spreading of cave dwellings since XIX th century, when the increasing rural and urban proletariat returned to the pre-existent uses of caves in order to solve the necessity of affordable housing. This fact can still be detected in many of the rock settlements that have survived during a great part of the XX th century and which were gradually abandoned from the 60´s onwards. There were important cave dwelling districts in many Spanish territories by that time, and not only in Andalusia. We also find them in certain areas of the Ebro basin (those of Aragon, Navarra and La Rioja), in the peri-urban arc of Valencia, in the South of Madrid province and also in the provinces of Toledo (the so called “Mancha toledana”), Albacete, Guadalajara, Murcia or even Palencia as well. Due to their defensive and refuge uses, primitive underground habitats were dug in hardly accessible places. The majority of them are located in mountainous and rough areas, when not in the marginal borders of Tertiary basins, where coarse detritic and carbonate formations outcrop. Cave dwellings can also be found in more ancient rock masses, such as those of the Basque Cantabrian Mesozoic Basin, which is the area where hermit centres of the primitive County of Castile first flourished. Cliffs surrounding fluvial valleys are as well inaccessible places, but here we find that geological evolution has caused the destruction of many rock sanctuaries and cliff dwellings that were originally dug with the same purposes of defence, refuge and spiritual retreat. Later modern cave settlements were dug in quite more favourable terrains, mainly in the soils that compose the Tertiary basins, generally known as “España arcillosa” or “Clayey Spain”. Therefore, we find abundant sedimentary fine and medium grained lithologies, which are the ones that have hosted the majority of Modern Era warren cave dwellings in the Iberian Peninsula. Actually, both types of cave dwelling share some standards regarding the lithology of the excavated materials, and they share as well certain patterns that affect to their evolution, weathering and preservation. These common patterns have been studied here in order to determine the most characteristic weathering processes that affect the majority of the Iberian caves, both Antique and Modern. And also with a view to establish the most habitual relationships between geomorphology and typology of cave dwellings. The study may as well provide a first basis for future studies on geo-preservation of cave dwellings heritage. We also reach some conclusions about the strength of different rocks concerning the antiquity of the sites. As we have already pointed out, this relation comes from the fact that ancient caves were placed in remote or isolated locations, where harder rocks outcrop, while more modern ones result from people´s search of permanent dwelling. In this sense, the softer rocks of the Tertiary Basins of Middle, East and South Peninsula provided a secure colonization to this second and modern group. And moreover, considering geomorphological features, this historical reason has had an effect not only on the position and location of the caves, but also on their organisation/structure/distribution and preservation. The huge extension of our domain of interest almost forces to sketch out some of these geological conclusions. But at the same time it gives a global panorama of Spanish troglodyte heritage, seen from a geological perspective. And here is the main novelty of this research.

Generating Adaptive Presentations of Hydrologic Behavior

This paper describes a knowledge-based approach for summarizing and presenting the behavior of hydrologic networks. This approach has been designed for visualizing data from sensors and simulations in the context of emergencies caused by floods. It follows a solution for event summarization that exploits physical properties of the dynamic system to automatically generate summaries of relevant data. The summarized information is presented using different modes such as text, 2D graphics and 3D animations on virtual terrains. The presentation is automatically generated using a hierarchical planner with abstract presentation fragments corresponding to discourse patterns, taking into account the characteristics of the user who receives the information and constraints imposed by the communication devices (mobile phone, computer, fax, etc.). An application following this approach has been developed for a national hydrologic information infrastructure of Spain.

Wind tunnel analysis of the flow topology over complex topographies

El principal objetivo de este trabajo es aportar conocimiento para contestar la pregunta: ¿hasta que punto los ensayos en túnel aerodinámico pueden contribuir a determinar las características que afectan la respuesta dinámica de los aerogeneradores operando en terreno complejo?. Esta pregunta no es nueva, de hecho, el debate en la comunidad científica comenzó en el primer tercio del siglo pasado y aún está intensamente vivo. El método generalmente aceptado para enfrentar el mencionado problema consiste en analizar un caso de estudio determinado en el cual se aplican tanto ensayos a escala real como análisis computacionales y ensayos en túnel aerodinámico. Esto no es ni fácil ni barato. Esta es la razón por la cual desde el experimento de Askervein en 1988, los modelizadores del flujo atmosférico tuvieron que esperar hasta 2007 a que el experimento de Bolund fuese puesto en marcha con un despliegue de medios técnicos equivalentes (teniendo en cuenta la evolución de las tecnologías de sensores y computación). El problema contempla tantos aspectos que ambas experiencias fueron restringidas a condiciones de atmósfera neutra con efectos de Coriolis despreciables con objeto de reducir la complejidad. Este es el contexto en el que se ha desarrollado la presente tesis doctoral. La topología del flujo sobre la isla de Bolund ha sido estudiada mediante la reproducción del experimento de Bolund en los túneles aerodinámicos A9 y ACLA16 del IDR. Dos modelos de la isla de Bolund fueron fabricados a dos escalas, 1:230 y 1:115. El flujo de entrada en el túnel aerodinámico simulando la capa límite sin perturbar correspondía a régimen de transición (transitionally rough regime) y fue usado como situación de referencia. El modelo a escala 1:230 fue ensayado en el túnel A9 para determinar la presión sobre su superficie. La distribución del coeficiente de presión sobre la isla proporcionó una visualización y estimación de una región de desprendimiento sobre el pequeño acantilado situado al frente de la misma. Las medidas de presión instantánea con suficiente grado de resolución temporal pusieron de manifiesto la no estacionariedad en la región de desprendimiento. El modelo a escala 1:115 fue ensayado utilizando hilo caliente de tres componentes y un sistema de velocimetría por imágenes de partículas de dos componentes. El flujo fue caracterizado por el ratio de aceleración, el incremento normalizado de energía cinética turbulenta y los ángulos de inclinación y desviación horizontal. Los resultados a lo largo de la dirección 270°y alturas de 2 m y 5 m presentaron una gran similitud con los resultados a escala real del experimento de Bolund. Los perfiles verticales en las localizaciones de las torres meteorológicas mostraron un acuerdo significativo con los resultados a escala real. El análisis de los esfuerzos de Reynolds y el análisis espectral en las localizaciones de los mástiles meteorológicos presentaron niveles de acuerdo variados en ciertas posiciones, mientras que en otras presentaron claras diferencias. El mapeo horizontal del flujo, para una dirección de viento de 270°, permitió caracterizar el comportamiento de la burbuja intermitente de recirculación sobre el pequeño acantilado existente al frente de la isla así como de la región de relajación y de la capa de cortadura en la región corriente abajo de Bolund. Se realizaron medidas de velocidad con alta resolución espacial en planos perpendiculares a la dirección del flujo sin perturbar. Estas medidas permitieron detectar y caracterizar una estructura de flujo similar a un torbellino longitudinal con regiones con altos gradientes de velocidad y alta intensidad de turbulencia. Esta estructura de flujo es, sin duda, un reto para los modelos computacionales y puede considerarse un factor de riesgo para la operación de los aerogeneradores. Se obtuvieron y analizaron distribuciones espaciales de los esfuerzos de Reynolds mediante 3CHW y PIV. Este tipo de parámetros no constituyen parte de los resultados habituales en los ensayos en túnel sobre topografías y son muy útiles para los modelizadores que utilizan simulación de grades torbellinos (LES). Se proporciona una interpretación de los resultados obtenidos en el túnel aerodinámico en términos de utilidad para los diseñadores de parques eólicos. La evolución y variación de los parámetros del flujo a lo largo de líneas, planos y superficies han permitido identificar como estas propiedades del flujo podrían afectar la localización de los aerogeneradores y a la clasificación de emplazamientos. Los resultados presentados sugieren, bajo ciertas condiciones, la robustez de los ensayos en túnel para estudiar la topología sobre terreno complejo y su comparabilidad con otras técnicas de simulación, especialmente considerando el nivel de acuerdo del conjunto de resultados presentados con los resultados a escala real. De forma adicional, algunos de los parámetros del flujo obtenidos de las medidas en túnel son difícilmente determinables en ensayos a escala real o por medios computacionales, considerado el estado del arte. Este trabajo fue realizado como parte de las actividades subvencionadas por la Comisión Europea como dentro del proyecto FP7-PEOPLE-ITN-2008WAUDIT (Wind Resource Assessment Audit and Standardization) dentro de la FP7 Marie-Curie Initial Training Network y por el Ministerio Español de Economía y Competitividad dentro del proyecto ENE2012-36473, TURCO (Determinación en túnel aerodinámico de la distribución espacial de parámetros estadísticos de la turbulencia atmosférica sobre topografías complejas) del Plan Nacional de Investigación (Subprograma de investigación fundamental no orientada 2012). El informe se ha organizado en siete capítulos y un conjunto de anexos. En el primer capítulo se introduce el problema. En el capítulo dos se describen los medios experimentales utilizados. Seguidamente, en el capítulo tres, se analizan en detalle las condiciones de referencia del principal túnel aerodinámico utilizado en esta investigación. En el capítulo tres se presentan resultados de ensayos de presión superficial sobre un modelo de la isla. Los principales resultados del experimento de Bolund se reproducen en el capítulo cinco. En el capítulo seis se identifican diferentes estructuras del flujo sobre la isla y, finalmente, en el capitulo siete, se recogen las conclusiones y una propuesta de lineas de trabajo futuras. ABSTRACT The main objective of this work is to contribute to answer the question: to which extend can the wind tunnel testing contribute to determine the flow characteristics that affect the dynamic response of wind turbines operating in highly complex terrains?. This question is not new, indeed, the debate in the scientific community was opened in the first third of the past century and it is still intensely alive. The accepted approach to face this problem consists in analysing a given case study where full-scale tests, computational modelling and wind tunnel testing are applied to the same topography. This is neither easy nor cheap. This is is the reason why since the Askervein experience in 1988, the atmospheric flow modellers community had to wait till 2007 when the Bolund experiment was setup with a deployment of technical means equivalent (considering the evolution of the sensor and computing techniques). The problem is so manifold that both experiences were restricted to neutral conditions without Coriolis effects in order to reduce the complexity. This is the framework in which this PhD has been carried out. The flow topology over the Bolund Island has been studied by replicating the Bolund experiment in the IDR A9 and ACLA16 wind tunnels. Two mock-ups of the Bolund island were manufactured at two scales of 1:230 and 1:115. The in-flow in the empty wind tunnel simulating the incoming atmospheric boundary layer was in the transitionally rough regime and used as a reference case. The 1:230 model was tested in the A9 wind tunnel to measure surface pressure. The mapping of the pressure coefficient across the island gave a visualisation and estimation of a detachment region on the top of the escarpment in front of the island. Time resolved instantaneous pressure measurements illustrated the non-steadiness in the detachment region. The 1:115 model was tested using 3C hot-wires(HW) and 2C Particle Image Velocimetry(PIV). Measurements at met masts M3, M6, M7 and M8 and along Line 270°were taken to replicate the result of the Bolund experiment. The flow was characterised by the speed-up ratio, normalised increment of the turbulent kinetic energy, inclination angle and turning angle. Results along line 270°at heights of 2 m and 5 m compared very well with the full-scale results of the Bolund experiment. Vertical profiles at the met masts showed a significant agreement with the full-scale results. The analysis of the Reynolds stresses and the spectral analysis at the met mast locations gave a varied level of agreement at some locations while clear mismatch at others. The horizontal mapping of the flow field, for a 270°wind direction, allowed to characterise the behaviour of the intermittent recirculation bubble on top of the front escarpment followed by a relaxation region and the presence of a shear layer in the lee side of the island. Further detailed velocity measurements were taken at cross-flow planes over the island to study the flow structures on the island. A longitudinal vortex-like structure with high mean velocity gradients and high turbulent kinetic energy was characterised on the escarpment and evolving downstream. This flow structure is a challenge to the numerical models while posing a threat to wind farm designers when siting wind turbines. Spatial distribution of Reynold stresses were presented from 3C HW and PIV measurements. These values are not common results from usual wind tunnel measurements and very useful for modellers using large eddy simulation (LES). An interpretation of the wind tunnel results in terms of usefulness to wind farm designers is given. Evolution and variation of the flow parameters along measurement lines, planes and surfaces indicated how the flow field could affect wind turbine siting. Different flow properties were presented so compare the level of agreement to full-scale results and how this affected when characterising the site wind classes. The results presented suggest, under certain conditions, the robustness of the wind tunnel testing for studying flow topology over complex terrain and its capability to compare to other modelling techniques especially from the level of agreement between the different data sets presented. Additionally, some flow parameters obtained from wind tunnel measurements would have been quite difficult to be measured at full-scale or by computational means considering the state of the art. This work was carried out as a part of the activities supported by the EC as part of the FP7- PEOPLE-ITN-2008 WAUDIT project (Wind Resource Assessment Audit and Standardization) within the FP7 Marie-Curie Initial Training Network and by the Spanish Ministerio de Economía y Competitividad, within the framework of the ENE2012-36473, TURCO project (Determination of the Spatial Distribution of Statistic Parameters of Flow Turbulence over Complex Topographies in Wind Tunnel) belonging to the Spanish National Program of Research (Subprograma de investigación fundamental no orientada 2012). The report is organised in seven chapters and a collection of annexes. In chapter one, the problem is introduced. In chapter two the experimental setup is described. Following, in chapter three, the inflow conditions of the main wind tunnel used in this piece of research are analysed in detail. In chapter three, preliminary pressure tests results on a model of the island are presented. The main results from the Bolund experiment are replicated in chapter five. In chapter six, an identification of specific flow strutures over the island is presented and, finally, in chapter seven, conclusions and lines for future works related to the presented one are included.

Túneles en macizos calcáreos karstificados: impacto en las obras subterráneas de los fenómenos kársticos, su evaluación y tratamiento

En esta Tesis Doctoral se aborda un tema poco estudiado en el ámbito de los túneles y cuya problemática está basada en los riesgos e incertidumbres que representa el diseño y ejecución de túneles en macizos calizos karstificados. Mediante un estudio profundo del comportamiento de distintos casos reales de túneles en macizos kársticos calizos, aportando la realización de modelos y la experiencia constructiva del autor, se pretende proponer un procedimiento que permita sistematizar las actuaciones, investigación, evaluación y tratamiento en los túneles en karst, como herramienta básica para la toma de decisiones primarias correctas. Además, se proponen herramientas que pueden ayudar a mejorar el diseño y a decidir las medidas más eficientes para afrontar los problemas que genera el karst en los túneles, minimizando los riesgos para todos los actores, su probabilidad e impacto. Se profundiza en tres fases principales (que son referidas en la tesis en cuatro Partes): La INVESTIGACIÓN del macizo rocoso: La investigación engloba todas las actuaciones observacionales encaminadas a obtener el IK (Índice de Karstificación), así como las investigaciones necesarias mediante recopilación de datos superficiales, hidrogeológicos, climáticos, topográficos, así como los datos de investigaciones geofísicas, fotointerpretación, sondeos y ensayos geotécnicos que sean posibles. Mediante la misma, se debe alcanzar un conocimiento suficiente para llevar a cabo la determinación de la Caracterización geomecánica básica del macizo rocoso a distintas profundidades, la determinación del Modelo o modo de karstificación del macizo rocoso respecto al túnel y la Zonificación del índice de karstificación en el ámbito de actuación en el que se implantará el túnel. En esta primera fase es necesaria la correcta Definición geométrica y trazado de la obra subterránea: En función de las necesidades que plantee el proyecto y de los condicionantes externos de la infraestructura, se deben establecer los requisitos mínimos de gálibo necesarios, así como las condiciones de máximas pendientes para el trazado en alzado y los radios mínimos de las curvas en planta, en función del procedimiento constructivo y motivación de construcción del túnel (ferrocarril, carretera o hidráulico, etc...). Estas son decisiones estratégicas o primerias para las que se ha de contar con un criterio y datos adecuados. En esta fase, son importantes las decisiones en cuanto a las monteras o profundidades relativas a la karstificación dominante e investigación de las tensiones naturales del macizo, tectónica, así como las dimensiones del túnel en función de las cavidades previstas, tratamientos, proceso de excavación y explotación. En esta decisión se debe definir, conocida ya de forma parcial la geotecnia básica, el procedimiento de excavación en función de las longitudes del túnel y la clasificación geomecánica del terreno, así como sus monteras mínimas, accesos y condicionantes medioambientales, pero también en función de la hidrogeología. Se establecerá la afección esperable en el túnel, identificando en la sectorización del túnel, la afección esperable de forma general para las secciones pésimas del túnel. Con todos estos datos, en esta primera aproximación, es posible realizar el inventario de casos posibles a lo largo del trazado, para poder, posteriormente, minimizar el número de casos con mayores riesgos (técnicos, temporales o económicos) que requieran de tratamiento. Para la fase de EVALUACIÓN de la matriz de casos posibles en función del trazado inicial escogido (que puede estar ya impuesto por el proyecto, si no se ha podido intervenir en dicha fase), es necesario valorar el comportamiento teórico del túnel en toda su longitud, estudiando las secciones concretas según el tipo y el modo de afección (CASOS) y todo ello en función de los resultados de los estudios realizados en otros túneles. Se debe evaluar el riesgo para cada uno de los casos en función de las longitudes de túnel que se esperan que sean afectadas y el proceso constructivo y de excavación que se vaya a adoptar, a veces varios. Es importante tener en cuenta la existencia o no de agua o relleno arcilloso o incluso heterogéneo en las cavidades, ya que los riesgos se multiplican, así mismo se tendrá en cuenta la estabilidad del frente y del perímetro del túnel. En esta segunda fase se concluirá una nueva matriz con los resultados de los riesgos para cada uno de los casos que se presentarán en el túnel estudiado. El TRATAMIENTO, que se debe proponer al mismo tiempo que una serie de actuaciones para cada uno de los casos (combinación de tipos y modos de afección), debiendo evaluar la eficacia y eficiencia, es decir la relevancia técnica y económica, y como se pueden optimizar los tratamientos. Si la tabla de riesgos que se debe generar de nuevo introduciendo los factores técnicos y económicos no resulta aceptable, será necesaria la reconsideración de los parámetros determinados en fases anteriores. Todo el desarrollo de estas tres etapas se ha recogido en 4 partes, en la primera parte se establece un método de estudio e interpretativo de las investigaciones superficiales y geotécnicas, denominado índice de karstificación. En la segunda parte, se estudia la afección a las obras subterráneas, modelos y tipos de afección, desde un punto de vista teórico. La tercera parte trata de una recopilación de casos reales y las consecuencias extraídas de ellos. Y finalmente, la cuarta parte establece los tratamientos y actuaciones para el diseño y ejecución de túneles en macizos kársticos calizos. Las novedades más importantes que presenta este trabajo son: El estudio de los casos de túneles realizados en karst calizo. Propuesta de los tratamientos más efectivos en casos generales. La evaluación de riesgos en función de las tipologías de túnel y afecciones en casos generales. La propuesta de investigación superficial mediante el índice de karstificación observacional. La evaluación mediante modelos del comportamiento teórico de los túneles en karst para casos muy generales de la influencia de la forma, profundidad y desarrollo de la karstificación. In this doctoral thesis is studied the recommended investigation, evaluation and treatment when a tunnel is planed and constructed in karstic calcareous rock masses. Calcareous rock masses were selected only because the slow disolution produces stable conduct and caves instead the problems of sudden disolutions. Karstification index (IK) that encompasses various aspects of research karstic rock mass is presented. The karst rock masses are all unique and there are no similarities between them in size or density cavities ducts, but both their formation mechanisms, like, geological and hydrogeological geomorphological evidence allow us, through a geomechanical survey and geological-photo interpretation in the surface, establish a karst evaluation index specific for tunnelling, which allows us to set a ranking of the intensity of karstification and the associated stadistic to find caves and its risk in tunnelling. This index is estimated and useful for decision-making and evaluation of measures to be considered in the design of a tunnel and is set in degrees from 0 to 100, with similar to the RMR degrees. The sectorization of the tunnel section and the types of condition proposed in this thesis, are estimated also useful to understand the different effects that interception of ducts and cavities may have in the tunnel during construction and service life. Simplified calculations using two-dimensional models contained in the thesis, have been done to establish the relationship between the position of the cavities relative to the section of the tunnel and its size in relation to the safety factors for each ground conditions, cover and natural stresses. Study of over 100 cases of tunnels that have intercepted cavities or karst conduits have been used in this thesis and the list of risks found in these tunnels have been related as well. The most common and effective treatments are listed and finally associated to the models and type of affection generated to give the proper tool to help in the critical decision when the tunnels intercept cavities. Some existing studies from Marinos have been considered for this document. The structure of the thesis is mainly divided 4 parts included in 3 steps: The investigation, the evaluation and the treatments, which match with the main steps needed for the critical decisions to be made during the design and construction of tunnels in karstic rockmasses, very important to get a successfully project done.

Estudio de validez del WAsP frente al WindSim en colinas Gaussinas

Este proyecto se basa en la comparación de un modelo de flujo lineal frente a un modelo de ecuaciones completas. Con esta motivación se empleará un programa de cada tipo. Los elegidos son el WAsP y el WindSim respectivamente. Tras una breve descripción de cada programa, estudiaremos los distintos elementos que los componen y su estructura. Entre todas las posibilidades que presentan ambos programas, el proyecto se centrará en la estimación del recurso eólico. En teoría, el programa que emplea un modelo lineal no será apto en terrenos complejos, por ello se tratará de estimar el error cometido por el modelo lineal tomando como referencia el modelo de ecuaciones completas. Con el objetivo de comparar ambos programas y poder distinguir sus diferencias, se plantea un caso común, en el cual se evaluarán distintas condiciones meteorológicas para colinas de forma gaussiana y distinta pendiente. Con ello se pretende medir la evolución de la precisión del WAsP conforme el terreno se va haciendo más complejo. Otras variables a tener en cuenta serán la variación de la velocidad del viento y la altura del punto de cálculo. Finalmente se analizan y explican los resultados obtenidos acompañados de elementos visuales proporcionados por los programas. 2. Abstract The main objective of this project is the comparison of two models, one based on the lineal flux and the other based on the complete equations. Thanks to two different computer programmes, WAsP and WindSim, the first one using a linear model and the second one using a complete equation model, we will be able to highlight the main differences between both models. Furthermore, a description of the structure and elements of each program will be outlined. This project will focus on the estimation of the wind resource. In theory, the program which uses a linear model will not be useful in complex terrains. Therefore, we will try to estimate the fault of the lineal model comparing it to the complete equation model. In order to be able to distinguish the differences between both programmes, the same exercise will be proposed to be solved by both of them. Here a range of meteorological conditions will be evaluated over a Gaussian hill with a slope that varies. Thereby, we will be able to measure the evolution of the precision of WAsP according to the increase of the slope. Finally, the results are analysed and explained with help of some visual characters.

Líneas ferroviarias en terrenos evaporíticos : medidas a adoptar en fase de proyecto, obra y explotación frente a los procesos de disolución

El fin último de una infraestructura es prestar un servicio, manteniendo unas condiciones mínimas de servicio. En el caso de una obra lineal ferroviaria será permitir el paso de trenes por ella de manera ininterrumpida según la programación establecida por la empresa explotadora, y manteniendo principalmente los estándares de seguridad y confort. No considerar durante el diseño y la construcción todos los factores que van a influir durante el mantenimiento de la infraestructura conllevará actuaciones adicionales en fase de mantenimiento, que en muchos casos no serán las más idóneas por la incompatibilidad de su ejecución con la explotación, y siempre serán mucho más costosas desde el punto de vista económico. Un factor a considerar será la posibilidad de disolución de los terrenos evaporíticos si la infraestructura transcurre sobre ellos. En España, durante los últimos 25 años se han llevado a cabo la modernización de la red ferroviaria española, dirigida hacia su especialización en aquellos ámbitos territoriales y tipo de servicio en los que reporta una mayor utilidad económico-social de tal manera que se ha potenciado la Alta Velocidad y las Cercanías. En esta tesis se estudian un compendio de tramos representativos de línea de Alta Velocidad construidos sobre terrenos evaporíticos, determinando los problemas surgidos y medidas adoptadas en el proyecto, en la construcción y en la fase de explotación, concluyendo con la eficacia de las mismas. Además, se analiza el fenómeno de las disoluciones en los terrenos evaporíticos desde el punto de vista teórico, con el fin de definir todos y cada uno de los factores que tienen un efecto. Partiendo de este análisis se sugiere un procedimiento en el que se contemplan los estudios y acciones a realizar a lo largo de las diferentes fases del desarrollo de una línea ferroviaria. The ultimate goal of an infrastructure is to provide service, maintaining minimum service conditions. Regarding rail corridor engineering work, the uninterrupted passage of trains will be allowed according to the established schedule of the operating company and mainly by maintaining safety standards and comfort. Not taking into account all the factors that are going to have an influence on the maintenance of the infrastructure during the design and the construction stage, will lead to additional actions during its maintenance, which in many cases will not be ideal due to incompatibilities with its implementation and exploitation, and they will always be more costly from an economic point of view. One factor to consider is the dissolution of the evaporite terrain if the infrastructure runs above it. In Spain, during the last 25 years, the upgrading of the Spanish railway network has taken place; directed towards the specialization of those territorial areas and type of service that yield better economical and social benefits, in such a way that the high-speed networks and the commuter train have been enhanced. This thesis studies a compendium of representative sections of high-speed railways built on evaporite terrains, determining the issues encountered and measures taken on the project, construction and operation phase, concluding with their effectiveness. Moreover, the phenomenon of the dissolutions in the evaporite terrains is analyzed from a theoretical point of view, in order to define all the factors that exert an effect. On the basis of this analysis, a protocol is suggested which contemplates studies and activities to be implemented throughout the different phases in the development of a railway line.

Analysis and optimization for a hexapod walking robot for planetary missions

La tecnología de las máquinas móviles autónomas ha sido objeto de una gran investigación y desarrollo en las últimas décadas. En muchas actividades y entornos, los robots pueden realizar operaciones que son duras, peligrosas o simplemente imposibles para los humanos. La exploración planetaria es un buen ejemplo de un entorno donde los robots son necesarios para realizar las tareas requeridas por los científicos. La reciente exploración de Marte con robots autónomos nos ha mostrado la capacidad de las nuevas tecnologías. Desde la invención de la rueda, que esta acertadamente considerado como el mayor invento en la historia del transporte humano, casi todos los vehículos para exploración planetaria han empleado las ruedas para su desplazamiento. Las nuevas misiones planetarias demandan maquinas cada vez mas complejas. En esta Tesis se propone un nuevo diseño de un robot con patas o maquina andante que ofrecerá claras ventajas en entornos extremos. Se demostrara que puede desplazarse en los terrenos donde los robots con ruedas son ineficientes, convirtiéndolo en una elección perfecta para misiones planetarias. Se presenta una reseña histórica de los principales misiones espaciales, en particular aquellos dirigidos a la exploración planetaria. A través de este estudio será posible analizar las desventajas de los robots con ruedas utilizados en misiones anteriores. El diseño propuesto de robot con patas será presentado como una alternativa para aquellas misiones donde los robots con ruedas puedan no ser la mejor opción. En esta tesis se presenta el diseño mecánico de un robot de seis patas capaz de soportar las grandes fuerzas y momentos derivadas del movimiento de avance. Una vez concluido el diseño mecánico es necesario realizar un análisis que permita entender el movimiento y comportamiento de una maquina de esta complejidad. Las ecuaciones de movimiento del robot serán validadas por dos métodos: cinemático y dinámico. Dos códigos Matlab® han sido desarrollados para resolver dichos sistemas de ecuaciones y han sido verificados por un tercer método, un modelo de elementos finitos, que también verifica el diseño mecánico. El robot con patas presentado, ha sido diseñado para la exploración planetaria en Marte. El comportamiento del robot durante sus desplazamientos será probado mediante un código de Matlab®, desarrollado para esta tesis, que permite modificar las trayectorias, el tipo de terreno, y el número y altura de los obstáculos. Estos terrenos y requisitos iniciales no han sido elegidos de forma aleatoria, si no que están basados en mi experiencia como miembro del equipo de MSL-NASA que opera un instrumento a bordo del rover Curiosity en Marte. El robot con patas desarrollado y fabricado por el Centro de Astrobiología (INTA-CSIC), esta basado en el diseño mecánico y análisis presentados en esta tesis. ABSTRACT The autonomous machines technology has undergone a major research and development during the last decades. In many activities and environments, robots can perform operations that are tought, dangerous or simply imposible to humans. Planetary exploration is a good example of such environment where robots are needed to perform the tasks required by the scientits. Recent Mars exploration based on autonomous vehicles has shown us the capacity of the new technologies. From the invention of the wheel, which is rightly regarded as the greatest invention in the history of human transportation, nearly all-planetary vehicles are based in wheeled locomotion, but new missions demand new types of machines due to the complex tasks needed to be performed. It will be proposed in this thesis a new design of a legged robot or walking machine, which may offer clear advantages in tough environments. This Thesis will show that the proposed walking machine can travel, were terrain difficulties make wheeled vehicles ineffective, making it a perfect choice for planetary mission. A historical background of the main space missions, in particular those aimed at planetary exploration will be presented. From this study the disadvantages found in the existing wheel rovers will be analysed. The legged robot designed will be introduced as an alternative were wheeled rovers could be no longer the best option for planetary exploration. This thesis introduces the mechanical design of a six-leg robot capable of withstanding high forces and moments due to the walking motion. Once the mechanical design is concluded, and in order to analyse a machine of this complexity an understanding of its movement and behaviour is mandatory. This movement equation will be validated by two methods: kinematics and dynamics. Two Matlab® codes have been developed to solve the systems of equations and validated by a third method, a finite element model, which also verifies the mechanical design. The legged robot presented has been designed for a Mars planetary exploration. The movement behaviour of the robot will be tested in a Matlab® code developed that allows to modify the trajectories, the type of terrain, number and height of obstacles. These terrains and initial requirements have not been chosen randomly, those are based on my experience as a member of the MSL NASA team, which operates an instrument on-board of the Curiosity rover in Mars. The walking robot developed and manufactured by the Center of Astrobiology (CAB) is based in the mechanical design and analysis that will be presented in this thesis.