Análisis de las acciones para el diseño de cuencos de disipación de energía en el desbordamiento de presas de fábrica

Resumen

El vertido libre por coronación es comúnmente adoptado en presas de fábrica, como método para desaguar los caudales de avenidas y reincorporar el agua en el cauce a través de un cuenco de disipación de energía. Para asegurar el correcto funcionamiento de las presas y evitar la erosión y socavación aguas abajo de la estructura, es necesario caracterizar las acciones hidrodinámicas presentes en el cuenco de amortiguación. Por ello, en este trabajo se ha llevado a cabo una caracterización de presiones, velocidades y tasas de aireación en el cuenco de disipación de un aliviadero de vertido libre. Esta Tesis Doctoral consta de dos campañas experimentales. Por un lado, se ha realizado una medición de velocidades y tasas de aireación en el interior de resaltos hidráulicos sumergidos y, por otro lado, se ha efectuado una campaña experimental de presiones en el fondo del cuenco de disipación. La finalidad de la campaña de aireación y velocidades ha sido analizar las características del resalto hidráulico sumergido. Para ello, se han estudiado cinco resaltos hidráulicos diferentes, donde se ha analizado la fracción de vacío, la ondulación de la superficie libre, la frecuencia de cambio de fase, la distribución de velocidades y el tamaño medio de burbuja en el interior del cuenco de disipación. Con la campaña de presiones se ha caracterizado la distribución de presiones en la solera del cuenco amortiguador en el ámbito temporal y frecuencial, así como la disipación de energía de chorros rectangulares, desde la descarga en el aliviadero hasta la restitución en el cauce. Para llevar a cabo el estudio temporal de presiones se han tenido en cuenta, además de la nueva campaña experimental, cuatro estudios de chorros rectangulares realizados en diferentes instalaciones de laboratorio. La comparación de estos cincos estudios ha permitido diferenciar entre chorros rectangulares bidimensionales y tridimensionales. Se ha caracterizado la presión dinámica media, la fluctuación de presión dinámica media, las presiones extremas instantáneas en el punto de estancamiento y la distribución de presión media en el entorno del punto de estancamiento. Para llevar a cabo el estudio frecuencial de presiones se han registrado los datos con frecuencias de muestreo de 20, 200 y 1000 Hz, con la finalidad de caracterizar los espectros de energía y analizar el diferente comportamiento de los chorros desarrollados y no desarrollados en condiciones de colchón efectivo y no efectivo. Además, se ha analizado la función de densidad espectral en el entorno del punto de estancamiento. La disipación de energía se ha estudiado en chorros rectangulares bidimensionales y tridimensionales. Con ello, se han caracterizado las pérdidas en el aire o durante la caída del chorro, en el pozo de acumulación (producidas por la recirculación del chorro) y en la deflexión del chorro aguas abajo de la zona de impacto, obteniendo una ley de pérdida de energía global para chorros rectangulares. Por lo tanto, con esta Tesis Doctoral se contribuye a mejorar el conocimiento existente en los fenómenos de sobrevertido, y con ello conseguir una mayor seguridad a la hora de diseñar nuevas presas, o en el caso de presas existentes, mejorar su acondicionamiento a la presencia de avenidas más intensas, debido al cambio climático