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Tesis:

Caracterización del comportamiento y mejora de los aliviaderos y protecciones de bloques en forma de cuña

  • Autor: CABALLERO JIMÉNEZ, Francisco Javier

  • Título: Caracterización del comportamiento y mejora de los aliviaderos y protecciones de bloques en forma de cuña

  • Fecha: 2023

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS

  • Departamentos: INGENIERIA CIVIL: HIDRAULICA, ENERGIA Y MEDIO AMBIENTE

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/76768/

  • Director/a 1º: TOLEDO MUNICIO, Miguel Ángel

  • Resumen: Los requisitos de seguridad de presas han aumentado en los últimos años, destacando, entre otras cuestiones, la necesidad de aumentar la capacidad de evacuación de los aliviaderos existentes y la protección de las presas de materiales sueltos frente a posibles sobrevertidos, especialmente ocasionados por las consecuencias hidrológicas del cambio climático. La situación económica actual exige soluciones que garanticen la seguridad de estas infraestructuras a un coste asequible. Los bloques en forma de cuña (WSB) son una de estas soluciones. Una comprensión más detallada del rendimiento de los WSBs ha sido el primer objetivo de esta tesis y, en base a esto, el diseño de un nuevo WSB. Así, se ejecutó un extenso programa de ensayos empíricos en una instalación experimental ubicada en el Laboratorio de Hidráulica de CEDEX (Madrid, España), registrando presiones hidrodinámicas en las diferentes caras de los bloques (huella, contrahuella y base) y midiendo las filtraciones a través de las juntas entre los bloques y por sus orificios de aireación. Se probó un nuevo WSB (denominado ACUÑA) con un diseño diferente de aireadores en comparación con el bloque Armorwedge™ de patente norteamericana, que se utilizó como elemento de referencia. Además, se analizó el comportamiento hidráulico de los WSBs de acuerdo con el estado de saturación de la capa de drenaje. El bloque ACUÑA fue diseñado con aireadores en la parte superior de la contrahuella del bloque donde las presiones negativas registradas fueron mayores. También se midieron presiones negativas en la base del bloque cuando la capa de drenaje no estaba completamente saturada. Finalmente, se cuantificó el efecto beneficioso del sellado de algunas de las juntas entre bloques. En una segunda fase de la tesis, se llevaron a cabo una serie de ensayos de bloques en forma de cuña para protección de presas de materiales sueltos en una nueva instalación experimental (“Instalación de Experimentación Hidráulica - Luis Ruano”) en condiciones de cuasi-prototipo. Esta singular instalación está ubicada en el canal que conduce al embalse de Laverné (Zaragoza, España) con un desnivel máximo de 7 m y un caudal de hasta 9 m3s-1. El objetivo era realizar investigaciones experimentales sobre tecnologías para proteger presas de materiales sueltos contra la erosión por sobrevertido en condiciones casi prototipo. Los resultados de las pruebas demuestran la capacidad de los WSBs para resistir altas descargas unitarias en condiciones extremadamente negativas en los extremos aguas arriba y aguas abajo del blindaje. Las pruebas también ayudaron a identificar posibles modos de fallo para los bloques. ABSTRACT Dam safety requirements have become stronger in recent years, highlighting, among other issues, the need to increase the discharge capacity of existing spillways and the protection of embankment dams against potential overtopping, which are particularly threatened by the hydrological consequences of climate change. The current economic situation requires solutions that ensure the safety of these infrastructures at an affordable cost. Wedge-shaped blocks (WSBs) are one of these solutions. A more detailed understanding of the performance of WSBs has been the first objective of this thesis and, based on this, the evolution of a new WSB design. Thus, an extensive empirical test program was performed on an experimental facility located at CEDEX Hydraulics Lab (Madrid, Spain), registering hydrodynamic pressures on the block faces and leakage through the joints between blocks and their air vents. A new WSB (named ACUÑA) with a different design of air vents was tested in comparison to the US patented Armorwedge™ block, which was used as a reference case. Moreover, the hydraulic behavior of the WSBs was analyzed according to the saturation state of the granular drainage layer. The ACUÑA unit was designed with air vents in the upper part of the riser where the registered negative pressures were higher. Negative pressures were also measured at the base of the block when the granular drainage layer was not fully saturated. Finally, the beneficial effect of sealing some of the joints between blocks was quantified. In a second phase of the thesis, a series of tests of wedge-shaped blocks intended for armoring embankment dams and levees was carried out in a new experimental facility (‘Hydraulic Experimentation Facility - Luis Ruano’) under quasi-prototype conditions. This unique facility is located in the canal leading to the Laverné reservoir (Zaragoza, Spain) with a maximum vertical drop of 7 m and discharge up to 9 m3s- 1. The aim was to conduct experimental research on technologies to protect embankment dams and dikes against overflowing erosion under quasi-prototype conditions. The results of the tests demonstrate the ability of the WSBs to withstand high unit discharges under extremely negative conditions at the upstream and downstream ends of the armoring. The tests also helped to identify potential failure modes for the armoring blocks.