Protecciones de presas mediante repiés de escollera y bloques en forma de cuña

Las conferencias presentadas durante la Jornada Técnica sobre Avances en investigación aplicada en seguridad hidráulica de presas organizada por el Centro de Estudios Hidrográficos del CEDEX y la Universidad Politécnica de Madrid el mes de junio de 2013 versan sobre la mejora de la seguridad hidráulica de las presas, una materia de especial importancia en nuestro país (habida cuenta del elevado número de infraestructuras de regulación en servicio y de su antigüedad media) y constituye una tarea en la que tanto el CEDEX como la Universidad Politécnica de Madrid han trabajado activamente en los últimos años. En este artículo se van a tratar dos tipos de protecciones de carácter muy diferente: las protecciones tipo repié y las protecciones mediante bloques prefabricados en forma de cuña (en adelante, BFC). En el caso de las protecciones tipo repié, aplicables a presas de materiales sueltos con espaldón de aguas abajo de escollera, se realiza una breve descripción del estado del arte de la tecnología y de sus aplicaciones así como de la innovación conseguida en este campo a partir de las investigaciones desarrolladas en la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), en colaboración con el Centro de Estudios Hidrográficos del CEDEX y el Centro Internacional de Métodos Numéricos en la Ingeniería (CIMNE), en el marco del proyecto de investigación del Plan Nacional denominado EDAMS, y cuyo resultado directo ha sido la tesis doctoral titulada “Mejora de la seguridad de las presas de escollera frente a percolación accidental mediante protecciones tipo repié” (Morán, 2013). En la parte dedicada a la protección mediante BFC`s se describe la tecnología, sus posibilidades de utilización dentro de la ingeniería de presas y se presenta el caso de la presa de Barriga (Burgos), como primera aplicación mundial de esta tecnología para el diseño de un aliviadero de servicio sobre el propio cuerpo de una presa de materiales sueltos en explotación.

Interpretación de los datos de auscultación de presas por métodos no convencionales

Las conferencias presentadas durante la Jornada Técnica sobre Avances en investigación aplicada en seguridad hidráulica de presas organizada por el Centro de Estudios Hidrográficos del CEDEX y la Universidad Politécnica de Madrid el mes de junio de 2013 versan sobre la mejora de la seguridad hidráulica de las presas, una materia de especial importancia en nuestro país (habida cuenta del elevado número de infraestructuras de regulación en servicio y de su antigüedad media) y constituye una tarea en la que tanto el CEDEX como la Universidad Politécnica de Madrid han trabajado activamente en los últimos años. Todo profesional familiarizado con las presas conoce la dificultad de analizar su comportamiento, a veces sorprendente, con el grado de aproximación deseado. Esta dificultad emana de la complejidad de todos los elementos que afectan al modo en que la presa y el terreno de apoyo responden a las solicitaciones, y también a la complejidad de las propias solicitaciones. Muchas de las características del conjunto presa-terreno escapan a las posibilidades de modelación mediante los modelos disponibles de base teórica.

El papel de los modelos numéricos en la investigación y el diseño de aliviaderos de presas

Las conferencias presentadas durante la Jornada Técnica sobre Avances en investigación aplicada en seguridad hidráulica de presas organizada por el Centro de Estudios Hidrográficos del CEDEX y la Universidad Politécnica de Madrid el mes de junio de 2013 versan sobre la mejora de la seguridad hidráulica de las presas, una materia de especial importancia en nuestro país (habida cuenta del elevado número de infraestructuras de regulación en servicio y de su antigüedad media) y constituye una tarea en la que tanto el CEDEX como la Universidad Politécnica de Madrid han trabajado activamente en los últimos años. El Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería (CIMNE) es un centro de investigación dependiente del Gobierno de Cataluña y de la Universidad Politécnica de Cataluña creado en 1987. Su principal actividad es el desarrollo y aplicación de métodos numéricos innovadores para resolver problemas prácticos en diversos campos de la ingeniería, y se desarrolla fundamentalmente en el marco de proyectos de investigación nacionales e internacionales. En los últimos años el centro ha participado en diversos proyectos relacionados con la seguridad de presas, fundamentalmente hidráulica, pero también estructural, en cooperación con diversas empresas y organismos públicos de investigación como el CEDEX y la UPM. La presente comunicación describe brevemente los objetivos principales de los mencionados proyectos, haciendo hincapié en cómo la modelación numérica ha contribuido a alcanzarlos.

Procedimiento de diseño de protecciones tipo repié para evitar la rotura por deslizamiento en masa de presas de escollera sometidas a percolaciones extremas

Síntesis del procedimiento de diseño formulado en la tesis doctoral de Rafael Morán. La demanda de seguridad en infraestructuras críticas ha aumentado en los últimos años, especialmente en los países con mayor nivel de desarrollo económico y social. En estos países, el control del estado de la seguridad de estas infraestructuras y las medidas para disminuir los riesgos asociados en caso de avería están adquiriendo una gran relevancia, lo que se ha plasmado en unas normativas más exigentes. Las presas están dentro de este tipo de infraestructuras tanto por su interés estratégico como por los daños que pueden llegar a ocasionar en caso de un mal funcionamiento o de su eventual rotura. La tecnología de protecciones de presas surge como respuesta a esta demanda de seguridad y, por este motivo, ha experimentado un gran avance en las últimas décadas. Dentro de este artículo se va a describir la protección tipo repié y el procedimiento de diseño propuesto para evitar el deslizamiento en masa de presas con espaldón de aguas abajo de escollera, cuando se produce una filtración anormalmente elevada debido a un fallo en la impermeabilidad en el conjunto presa-cimiento. El artículo describe brevemente el estado del arte de la tecnología y de sus aplicaciones así como de la innovación conseguida en este campo a partir de las investigaciones desarrolladas en la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), en colaboración con el Centro de Estudios Hidrográficos del CEDEX y el Centro Internacional de Métodos Numéricos en la Ingeniería (CIMNE), en el marco del proyecto de investigación del Plan Nacional denominado EDAMS.

Posibilidades de la ingeniería artificial en el análisis de auscultación de presas

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.

Consideraciones sobre el cálculo sísmico de presas-bóveda

En esta comunicación se ponen de manifiesto las características que debe reunir un modelo para el cálculo sísmico de presas-bóveda. Se analizan los factores locales que influyen sobre la solicitación sísmica que actúa en una ubicación concreta. Se destaca la importancia que en el comportamiento sísmico de estas construcciones tiene la interacción entre presa, suelo y embalse los cuales constituyen un único sistema dinámico que se ve afectado por factores tales como: la geometría de la presa y el vaso, las propiedades del suelo, la posible falta de homogeneidad subterránea y la presencia de sedimentos de fondo. A la luz de los anteriores factores y en general de las características propias de las presas-bóveda, el suelo y los embalses, se discuten las posibilidades que ofrecen y los inconvenientes que tienen algunos de los modelos de Elementos Finitos existentes. Se presenta un modelo de Elementos de Contorno que, por las características propias de este método, resulta muy adecuado.

Mejora de los modelos térmicos de las presas bóveda en explotación : aplicación al análisis del efecto del cambio climático

Las cargas de origen térmico causadas por las acciones medioambientales generan esfuerzos apreciables en estructuras hiperestáticas masivas, como es el caso de las presas bóvedas. Ciertas investigaciones apuntan que la variación de la temperatura ambiental es la segunda causa de reparaciones en las presas del hormigón en servicio. Del mismo modo, es una causa de fisuración en un porcentaje apreciable de casos. Las presas son infraestructuras singulares por sus dimensiones, su vida útil, su impacto sobre el territorio y por el riesgo que implica su presencia. La evaluación de ese riesgo requiere, entre otras herramientas, de modelos matemáticos de predicción del comportamiento. Los modelos han de reproducir la realidad del modo más fidedigno posible. Además, en un escenario de posible cambio climático en el que se prevé un aumento de las temperaturas medias, la sociedad ha de conocer cuál será el comportamiento estructural de las infraestructuras sensibles en los futuros escenarios climáticos. No obstante, existen escasos estudios enfocados a determinar el campo de temperaturas de las presas de hormigón. Así, en esta investigación se han mejorado los modelos de cálculo térmico existentes con la incorporación de nuevos fenómenos físicos de transferencia de calor entre la estructura y el medio ambiente que la rodea. También se han propuesto nuevas metodologías más eficientes para cuantificar otros mecanismos de transferencia de calor. La nueva metodología se ha aplicado a un caso de estudio donde se disponía de un amplio registro de temperaturas de su hormigón. Se ha comprobado la calidad de las predicciones realizadas por los diversos modelos térmicos en el caso piloto. También se han comparado los resultados de los diversos modelos entre sí. Finalmente, se ha determinado las consecuencias de las predicciones de las temperaturas por algunos de los modelos térmicos sobre la respuesta estructural del caso de estudio. Los modelos térmicos se han empleado para caracterizar térmicamente las presas bóveda. Se ha estudiado el efecto de ciertas variables atmosféricas y determinados aspectos geométricos de las presas sobre su respuesta térmica. También se ha propuesto una metodología para evaluar la respuesta térmica y estructural de las infraestructuras frente a los posibles cambios meteorológicos inducidos por el cambio climático. La metodología se ha aplicado a un caso de estudio, una presa bóveda, y se ha obtenido su futura respuesta térmica y estructural frente a diversos escenarios climáticos. Frente a este posible cambio de las variables meteorológicas, se han detallado diversas medidas de adaptación y se ha propuesto una modificación de la normativa española de proyecto de presas en el punto acerca del cálculo de la distribución de temperaturas de diseño. Finalmente, se han extraído una serie de conclusiones y se han sugerido posibles futuras líneas de investigación para ampliar el conocimiento del fenómeno de la distribución de temperaturas en el interior de las presas y las consecuencias sobre su respuesta estructural. También se han propuesto futuras investigaciones para desarrollar nuevos procedimiento para definir las cargas térmicas de diseño, así como posibles medidas de adaptación frente al cambio climático. Thermal loads produced by external temperature variations may cause stresses in massive hyperstatic structures, such as arch dams. External temperature changes are pointed out as the second most major repairs in dams during operation. Moreover, cracking is caused by thermal loads in a quite number of cases. Dams are unique infrastructures given their dimensions, lifetime, spatial impacts and the risks involve by their presence. The risks are assessed by means of mathematical models which compute the behavior of the structure. The behavior has to be reproduced as reliable as possible. Moreover, since mean temperature on Earth is expected to increase, society has to know the structural behavior of sensitive structures to climate change. However, few studies have addressed the assessment of the thermal field in concrete dams. Thermal models are improved in this research. New heat transfer phenomena have been accounted for. Moreover, new and more efficient methodologies for computing other heat transfer phenomena have been proposed. The methodology has been applied to a case study where observations from thermometers embedded in the concrete were available. Recorded data were predicted by several thermal models and the quality of the predictions was assessed. Furthermore, predictions were compared between them. Finally, the consequences on the stress calculations were analyzed. Thermal models have been used to characterize arch dams from a thermal point of view. The effect of some meteorological and geometrical variables on the thermal response of the dam has been analyzed. Moreover, a methodology for assessing the impacts of global warming on the thermal and structural behavior of infrastructures has been proposed. The methodology was applied to a case study, an arch dam, and its thermal and structural response to several future climatic scenarios was computed. In addition, several adaptation strategies has been outlined and a new formulation for computing design thermal loads in concrete dams has been proposed. Finally, some conclusions have been reported and some future research works have been outlined. Future research works will increase the knowledge of the concrete thermal field and its consequences on the structural response of the infrastructures. Moreover, research works will develope a new procedure for computing the design thermal loads and will study some adaptation strategies against the climate change.

Avances en investigación aplicada mediante modelación física y numérica en el diseño de la ingeniería de presas

En la actualidad, y en todo el mundo, hay en desarrollo un muy importante número de proyectos de obras hidráulicas de diversa naturaleza (presas, canales, desaladoras, tanques de tormentas, centrales hidroeléctricas, obras de saneamiento, etc.), donde España es, en muchas ocasiones, el marco de referencia. En este artículo, se presentan algunas de las principales investigaciones en curso en el campo de la modelación física y numérica de la ingeniería de presas, con el objetivo de mejorar el conocimiento de los fenómenos hidráulicos que intervienen en su gestión y desarrollar nuevas herramientas de diseño que permitan dar solución a problemas hidráulicos complejos.

Una contribución al diseño automático de presas bóveda

Las presas bóveda constituyen uno de los tipos estructurales más interesantes desde el punto de vista del diseño ingenieril. Se presenta a continuación un método de cálculo mediante ordenador que permite definir genéticamente la bóveda, es decir, la forma de su superficie media, representada por una expresión analítica o numérica y por la ley de espesores, analizándose tensionalmente la forma obtenida

Aplicación M.E.F. al diseño de presas bóvedas

El problema de la optimización en el diseño de presas - bóveda, planteado en toda su generalidad, corresponde a la definición de este diseño, es decir, de los siguientes parámetros dela presa bóveda: 1) Forma. 2) Altura. 3) Localización. 4) Propiedades. 5) Procedimiento de construcción. 6) Tratamiento de la cimentación y juntas con el terreno. 7) Localización y tipo de obras secundarias (aliviadero, galerías, etc.). 8) Uso de armado o pretensado de modo que se minimice una cierta función mérito,que exprese el coste de la estructura en función de estos parámetros.

Determinación de los periodos propios de presas bóveda simétricas mediante formulas empíricas

El artículo presenta una formulación sencilla que permite obtener los seis primeros períodos propios de vibración de una presa bóveda simétrica diseñada según las recomendaciones del U.S. Bureau of Reclamation. Se indican las expresiones polinómicas aproximadas de estos períodos, tanto para embalse vacío como para embalse lleno. El efecto del embalse se modeliza mediante la técnica de Westergaard modificada. Asimismo se indica una expresión que intenta tener en cuenta, de modo tentativo, el efecto de la flexibilidad del terreno

Control de movimientos en presas de hormigón mediante DGPS. Comparación con otros métodos de auscultación e implicaciones para la seguridad. Estudio de caso en la presa de La Aceña (Ávila)

Las normativas que regulan la seguridad de las presas en España han recogido la necesidad de conocer los desplazamientos y deformaciones de sus estructuras y cimientos. A día de hoy, son muchas las presas en explotación que no cuentan con un sistema de auscultación adecuado para controlar este tipo de variables, ya que la instalación de métodos clásicos de precisión en las mismas podría no ser viable técnicamente y, de serlo, supondría un coste económico importante y una dudosa garantía del proceso de ejecución de la obra civil correspondiente. Con el desarrollo de las nuevas tecnologías, la informática y las telecomunicaciones, han surgido nuevos sistemas de auscultación de desplazamientos. Los sistemas GPS actuales, diseñados para el control de estructuras, guiado de maquinaria, navegación y topografía, estabilidad de taludes, subsidencias, etc. permiten alcanzar precisiones centimétricas. El sistema de control de movimientos basado en la tecnología DGPS (GPS diferencial) combinada con un filtro estadístico con el que se alcanzan sensibilidades de hasta ±1 mm en el sistema, suficientes para una auscultación normal de presas según los requerimientos de la normativa actual. Esta exactitud se adapta a los desplazamientos radiales de las presas, donde son muy comunes valores de amplitudes en coronación de hasta 15 mm en las de gravedad y de hasta 45 mm en el caso de las presas bóveda o arco. La presente investigación tiene por objetivo analizar la viabilidad del sistema DGPS en el control de movimientos de presas de hormigón comparando los diferentes sistemas de auscultación y su correlación con las variables físicas y las vinculadas al propio sistema GPS diferencial. Ante la necesidad de dar respuesta a estas preguntas y de validar e incorporar a la mencionada tecnología en la ingeniería civil en España, se ha llevado a cabo un estudio de caso en La Aceña (Ávila). Esta es una de las pocas presas españolas que se está controlando con dicha tecnología y de forma simultánea con los sistemas clásicos de auscultación y algunos otros de reciente aplicación La presente investigación se ha organizado con idea de dar respuesta a varias preguntas que el explotador de presas se plantea y que no se analizan en el estado del arte de la técnica: cómo hacer la configuración espacial del sistema y cuáles son los puntos necesarios que se deben controlar, qué sistemas de comunicaciones son los más fiables, cuáles son los costes asociados, calibración del software, vida útil y mantenimientos requeridos, así como la posibilidad de telecontrolar los datos. Entre las ventajas del sistema DGPS, podemos señalar su bajo coste de implantación y posibilidad de controlarlo de forma remota, así como la exactitud y carácter absoluto de los datos. Además, está especialmente indicado para presas aisladas o mal comunicadas y para aquellas otras en las que el explotador no tiene referencia alguna de la magnitud de los desplazamientos o deformaciones propias de la presa en toda su historia. Entre los inconvenientes de cualquier sistema apoyado en las nuevas tecnologías, destaca la importancia de las telecomunicaciones ya sea en el nivel local en la propia presao desde su ubicación hasta el centro de control de la explotación. Con la experiencia alcanzada en la gestión de la seguridad de presas y sobre la base de la reciente implantación de los nuevos métodos de auscultación descritos, se ha podido analizar cada una de sus ventajas e inconvenientes. En el capítulo 5, se presenta una tabla de decisión para el explotador que servirá como punto de partida para futuras inversiones. El impacto de esta investigación se ha visto reflejado en la publicación de varios artículos en revistas indexadas y en el debate suscitado entre gestores y profesionales del sector en los congresos nacionales e internacionales en los que se han presentado resultados preliminares. All regulations on the safety of dams in Spain have collected the need to know the displacements and deformations of the structure and its foundation. Today there are many dams holding not have an adequate system of auscultation to control variables such as the installation of classical methods of precision in the same might not be technically feasible, and if so, would cost important economic and guarantee the implementation process of the dubious civil works. With the development of new technologies, computing and telecommunications, new displacements auscultation systems have emerged. Current GPS systems designed to control structures, machine guidance, navigation and topography, slope stability, subsidence, etc, allow to reach centimeter-level accuracies. The motion control system based on DGPS technology applies a statistical filter that sensitivities are achieved in the system to ± 1 mm, sufficient for normal auscultation of dams as required by current regulations. This accuracy is adapted to the radial displacement of dams, which are common values in coronation amplitudes up to 15 mm in gravity dams and up to 45 mm in arch or arc dams. This research aims to analyze the feasibility of DGPS system in controlling movements of concrete dams, comparing the different systems auscultation and its correlation with physical variables and linked to differential GPS system itself. Given the need to answer this question and to validate and incorporate this technology to civil engineering in Spain, has conducted a case study in real time at the dam La Aceña (Ávila). This dam is one of the few Spanish companies, which are controlling with this technology and simultaneously with the classic auscultation systems and some other recent application. This research has been organized with a view to responding to questions that the dam operator arises and in the state of the art technique not discussed: how to make spatial configuration of the system and what are the necessary control points what communication systems are the most reliable, what are the associated costs, calibration software, service life and maintenance requirements, possibility of monitoring, etc. Among the advantages we can point to its low cost of implementation, the possibility of remote, high accuracy and absolute nature of the data. It could also be suitable for those isolated or poorly communicated dams and those in which the operator has no reference to the magnitude of displacements or deformations own prey in its history. The disadvantages of any system based on the new technologies we highlight the importance of telecommunications, either locally or from this dam control center of the farm. With the experience gained in the management of dam safety and based on the recent introduction of new methods of auscultation described, it has been possible to analyze each of their advantages and disadvantages. A decision table for the operator, which will serve as a starting point for future investments is presented. The impact of research, has been reflected in the publication of several articles in refereed journals and discussion among managers and professionals in national and international conferences in which they participated.

Geometría de presas bóveda

Se presenta en este artículo un programa para cálculo mediante ordenador, de utilización frecuente en el Departamento de Estudios Experimentales de Presas del Labo¬ratorio Central. Este programa se refiere a presas bóvedas asimétricas de tres centros y determina: a) el replanteo geométrico de las mismas para su construcción en modelo reducido. b) la posición -punto de aplicación y dirección- de las cargas puntuales equivalentes a las acciones de peso propio y presión hidrostática, que se introducen en el modelo median¬te gatos hidráulicos. c) la directriz de la presa, dato necesario para un posible cálculo estático posterior. This paper presents a computer program currently used in the Department of Experimental Studies of Dams in the Laboratorio Central. This program concerns asymmetric arch dams of three centers and it determines: a) The geometrical definition of the arch dams for the scaled model construction. b) The position, acting point and direction of the punctual loads equivalent to the actions of self-weight and water pressure, which are applied to the model by means of hydraulic jacks. c) The middle surface of the dam, which later would be introduced for a stress analy¬sis of the dam itself

Ensayos geomecánicos de presas en modelo reducido

Hace ya varias décadas, comenzó a aplicarse al análisis de presas el estudio experimental en modelos reducidos, campo en el que se ha trabajado durante muchos años en el Laboratorio Central. Durante este tiempo, la técnica de tales ensayos ha ido perfeccionándose, consiguiendo reproducir con mayor fidelidad la situación real, en particular, aspectos tan importantes como las posibles discontinuidades existentes en el valle así como la interacción presa-terreno de cimentación, apareciendo así, de una forma natural los ensayos geomecánicos. Como resultado de esa evolución se han llevado a cabo algunos ensayos geomecánicos de presas en dicho Laboratorio, los cuales constituyen el objeto de esta publicación.

Método aproximado de cálculo de presas bóveda

El objeto de esta publicación es presentar un método para el cálculo de presas bóveda. El método consta de las siguientes partes fundamentalmente: 1) Sustitución de la estructura continua por una estructura entramado espacial formada por nudos (sobre la superficie media) y barras rectas. 2) Determinación de las características mecánicas de las barras. 3) Aplicación de las cargas en los nudos. 4) Cálculo del entramado espacial por procedimientos matriciales (método de equilibrio o matriz de rigidez). Presenta la ventaja de utilizar programas estándar de cálculo de estructuras(STRESS, BAUSTATIK, etc.) de donde resulta una gran economía. Es aconsejable realizar programas adicionales sencillos para entrada de datos del emparrillado y obtención de resultados en tensiones y tensiones principales. Finalmente se comparan los resultados obtenidos con el método en las presas tipos 1 y 5 de CIRIA con otros métodos de cálculo de presas bóveda