Aliviaderos con cajeros altamente convergentes. Una alternativa para la reconstrucción del aliviadero de emergencia de la presa de Oroville

RESUMEN

Los aliviaderos con cajeros altamente convergentes son un diseño innovador que posibilita aumentar el caudal desaguado en comparación con los diseños habituales de aliviadero. Además son una tipología adecuada para proteger frente al descalce zonas no revestidas de la cimentación próximas al pie de presa. A pesar de estas posibilidades, no existen unas reglas generales de diseño para esta tipología, por lo que para implementar esta solución se necesita realizar un estudio específico para cada caso particular. Con el objetivo de definir unas reglas generales para el diseño de estos aliviaderos se desarrolla el proyecto de investigación CALA. En este artículo se muestran algunos resultados del mismo, relativos al comportamiento de diseños simétricos y asimétricos, con cuencos amortiguadores lisos y dentados, a partir de los cuales se obtuvieron unas directrices de diseño que se han aplicado para definir una alternativa de rehabilitación del aliviadero de emergencia de la presa de Oroville en base a simulaciones numéricas 3D.

ABSTRACT

Spillways with highly converging chutes are an innovative type of spillway that increases discharge capacity compared to standard designs. They are also a suitable solution as protection against erosion for unlined abutments close to the downstream toe of the dam. However, in order to apply this solution it is necessary to carry out a specific study for each particular case, as there are no general design guidelines. In order to draw up general design criteria, the CALA research project is being developed. In this article, the first results of the project are shown, related to the behavior of spillways with highly converging asymmetric chutes and stilling basins with impact blocks. In accordance with the criteria obtained, a design has been proposed for the reconstruction of the emergency spillway of the Oroville dam, based on 3D numerical simulations.

PALABRAS CLAVE:

• Presa
• aliviadero
• CFD
• Oroville
• cajeros convergentes
• sobrevertido

KEYWORDS:

• Dam
• spillway
• CFD
• Oroville
• convergent chutes
• overtopping

Introducción

En los últimos años se ha producido una revisión de la normativa de seguridad de presas en diversos países, de cara a establecer criterios más exigentes ante la demanda social de un aumento en la seguridad de infraestructuras críticas tales como las presas. Esta revisión normativa ha supuesto en general un aumento del periodo de retorno que se debe considerar para el diseño de los órganos de desagüe. Estos nuevos criterios ya se tienen en cuenta en el diseño de aliviaderos en presas de nueva construcción. De tal forma que para presas de nueva construcción el diseño de sus aliviaderos ya tiene en cuenta estos nuevos criterios de caudal de avenida. Sin embargo, para gran parte de las presas construidas con anterioridad a las normativas actuales son necesarias adaptaciones en su diseño, para así cumplir con los cánones de seguridad actuales. La consideración de avenidas de mayor cuantía podría provocar que los órganos de desagüe actuales no fueran capaces de evacuar todo el caudal, agotando los resguardos, y dando lugar a vertidos por coronación, que en el caso de presas de fábrica podrían llegar a ocasionar daños por descalce de su cimentación.

En esta línea, la Federal Emergency Management Agency de Estados Unidos (FEMA) ha publicado una guía técnica sobre protecciones de presas frente al sobrevertido [1]. Dicha guía recomienda para presas de fábrica construir en el pie del paramento de aguas abajo de la presa cajeros laterales de recogida, que además de proteger el pie de la presa de erosiones y un posible descalce, conduzcan los caudales recogidos a la estructura de disipación de energía. Esos cajeros laterales tienen en general pendiente variable y altas convergencias al apoyarse en el perfil de corte del paramento de aguas abajo de la presa con el terreno, según se muestra en el esquema de la Figura 1.

Figura 1. Esquema de presa de fábrica con canales laterales de recogida en situación de sobrevertido. Izquierda: vista desde aguas abajo. Derecha: vista de sección transversal según se indica con eje amarillo a su izquierda.

En la presa de Tygart en Estados Unidos [2] existe un ejemplo de aplicación de esta tecnología, donde para evitar la erosión aguas abajo de la presa en caso de sobrevertido por coronación se construyó un cajero lateral en cada estribo. Esta actuación ha sido necesaria debido a la insuficiencia del aliviadero para evacuar los caudales de avenida, calculados según nuevos criterios de seguridad más exigentes que aquellos con los que fue diseñada la presa. Finalmente hay que resaltar que la guía técnica del FEMA no desarrolla unos criterios de cálculo, lo que dificulta la implementación de esta tecnología de manera práctica. De hecho, para el diseño de la solución de la presa de Tygart hubo que realizar ensayos en modelo reducido de laboratorio desde las fases iniciales de diseño, para definir las dimensiones de los cajeros y asegurar el correcto funcionamiento del cuenco amortiguador existente [3], siendo este último aspecto determinante para la viabilidad económica de la protección. Hay que destacar que si bien para el diseño de la solución de la presa de Tygart se empleó modelación física el estado de la técnica actual permite realizar modelos numéricos para el estudio hidráulico de aliviaderos de presas a escala real [4].

La tecnología de los cajeros laterales altamente convergentes permite, además de proteger contra el descalce por sobrevertido, lograr un incremento en la longitud del labio de aliviadero por encima de la anchura del cauce o estructura de disipación de energía (generalmente cuenco amortiguador), y concentrando por tanto el caudal desaguado en una zona más reducida que la anchura del propio labio de vertido. En consecuencia, los aliviaderos con cajeros altamente convergentes cuentan con tres ventajas fundamentales respecto a los aliviaderos rectos tradicionales, como son el permitir incrementar el caudal desaguado sin aumentar el nivel del agua en el embalse, el aumentar el resguardo manteniendo la capacidad de desagüe, y por último el incrementar el volumen útil de embalse manteniendo el resguardo y la capacidad de desagüe. Estas ventajas hacen de los aliviaderos con cajeros altamente convergentes una alternativa atractiva, y en consecuencia se han empleado en diversas presas de nueva construcción y en actualizaciones de presas existentes, según criterios de diseño dispares, siendo ejemplos de ello entre otros la Presa Torre de Abrahán (España), la Presa de Nunome (Japón), o la Presa de Zapardiel de la Cañada (España) [5].

La diferencia fundamental a la hora de diseñar una solución de aliviadero con cajeros altamente convergentes para una presa de nueva construcción, o para la actualización de una presa existente, consiste en que para la presa de nueva construcción el cuenco amortiguador se diseña y construye, teniendo en cuenta el caudal aportado por los cajeros laterales. Por el contrario, en actualizaciones de presas ya construidas el cuenco amortiguador existe con anterioridad a la rehabilitación, y en consecuencia los nuevos flujos que generan los cajeros laterales alterarán el funcionamiento del cuenco amortiguador respecto a sus condiciones de diseño iniciales, pudiendo ser necesario introducir modificaciones en el mismo para su correcto funcionamiento hidráulico. Estas modificaciones pueden resultar muy costosas en función de su magnitud, por lo que se buscará modificar lo menos posible la estructura para que la solución de cajeros altamente convergentes sea competitiva económicamente. Así mismo deben tenerse en cuenta las posibles asimetrías de los cajeros laterales. En presas de nuevo diseño parece razonable buscar cajeros laterales simétricos para evitar en lo posible provocar inestabilidades y asimetrías en el funcionamiento del cuenco amortiguador; sin embargo, en presas ya existentes la geometría del paramento de aguas abajo de la presa condicionará de manera importante las formas y posibles simetrías de los cajeros laterales de recogida.

Tras lo expuesto se pone de manifiesto que los aliviaderos con cajeros altamente convergentes son una solución eficaz que se ha proyectado y construido en diversas partes del mundo, si bien la falta de criterios de diseño obliga a realizar estudios específicos para cada proyecto, desde las fases iniciales de diseño, lo que ha limitado de manera significativa el uso más general de esta tecnología.

Con estos antecedentes se planteó el proyecto de investigación CALA: ‘Mejora de la seguridad hidrológica e incremento de la capacidad de embalse de presas de fábrica mediante la implementación de canales laterales de recogida de vertidos’, en el que participan el Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería (CIMNE), FCC Construcción, Matinsa, Citechsa y la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), con financiación del Ministerio de Ciencia e Innovación del Gobierno de España, siendo el objetivo fundamental del proyecto la definición de criterios para el diseño de cajeros laterales de recogida y cuencos amortiguadores en presas de fábrica.

En este artículo se exponen en primer lugar algunos de los resultados del proyecto CALA, relativos a los efectos que produce la asimetría de los cajeros laterales en el comportamiento de un cuenco amortiguador. En segundo lugar se muestra un caso de estudio, en el que se aplican los resultados expuestos con anterioridad para proponer una protección frente al descalce del aliviadero de emergencia de la presa de Oroville, mediante un diseño asimétrico de cajero lateral altamente convergente y cuenco amortiguador con dientes de impacto.

Metodología

Para realizar el estudio del efecto de la asimetría de los cajeros altamente convergentes en el funcionamiento hidráulico de un cuenco amortiguador se realizó una campaña de modelación numérica 3D. Consistió en la simulación de seis configuraciones de aliviadero diferentes, para una misma altura de presa de 1,5 m desde la solera del cuenco amortiguador hasta el umbral de vertido del labio. Para conseguir distintas condiciones de simetría o asimetría del aliviadero, se varió la longitud de vertido por embocadura, con longitudes entre 1 y 5 m. La pendiente de los cajeros laterales es definida por el talud del paramento de la presa de valor 0,8, siendo de esta forma la pendiente constante para todas las geometrías modeladas. Todas las configuraciones, excepto el modelo simétrico 0-1-0 (Figura 2), presentan cajeros laterales de las mismas dimensiones, con anchura variable entre 0,1 m y 0,15 m y botaolas superior de 0,05 m. Así mismo en todas las configuraciones los cajeros laterales entroncan con el cuenco amortiguador con un ángulo de 68º respecto a la dirección del flujo frontal, y a una altura sobre la solera del cuenco de 0,23 m. Las dimensiones del cuenco amortiguador asociado a cada configuración de aliviadero fueron de 1 m de anchura y 3 m de longitud, con altura de bordillo de salida variable entre 0,1 y 0,25 m. Para cada una de las tres geometrías asimétricas de aliviadero se modelaron tanto cuencos lisos como dentados, contando con dos filas de dientes cúbicos de lado 0,1 m y separados entre sí otros 0,1 m. El caudal de vertido modelado sobre todas las geometrías fue de 0,15 m³/s. En resumen, en la campaña se modelaron nueve geometrías (Figura 2), tres simétricas y tres asimétricas con cuenco amortiguador liso y tres asimétricas con cuenco con dientes de impacto. Cada modelo se nombra según una nomenclatura donde en primer lugar se diferencia si el modelo es simétrico o asimétrico, a continuación se indica la anchura de embocadura a cada lado de la porción central de 1 m, que configura el aliviadero recto (Simétrico 0-1-0 Liso), y en último lugar se hace referencia a si el cuenco es liso o dentado.

Figura 2. Modelos simulados en la campaña de modelación numérica, vista en planta. Clasificación por condiciones de simetría y tipo de cuenco amortiguador. Dimensiones en m.

El código de cálculo numérico empleado para desarrollar esta campaña de modelación fue una de las aplicaciones de Kratos, que es un entorno multifísico Open-Source desarrollado por CIMNE [6]. En concreto la aplicación empleada resuelve un problema de dinámica de fluidos no compresibles con superficie libre, lo que implica la resolución del sistema de ecuaciones en derivadas parciales constituido por la ecuación de continuidad y las ecuaciones completas de Navier-Stokes para flujo incompresible y condiciones de contorno tipo Dirichlet y Neumann. Para poder abordar la resolución del sistema de ecuaciones planteado la aplicación utiliza el Método de los Elementos Finitos, según una formulación euleriana de elementos de bajo orden tipo triángulos y tetraedros lineales, que implica la necesidad de estabilización del problema por las restricciones de convectividad e incompresibilidad. Para ello se emplea un enfoque puramente numérico, mediante un método de multiescala variacional según la versión local del balance de energía en elementos finitos; de tal forma que adoptando un espacio de subescalas ortogonales [7,8] e introduciendo dos parámetros de estabilización [9], se logra que la disipación de la energía total dependa exclusivamente de la viscosidad, y se pueda predecir correctamente sin necesidad de recurrir a filtros de turbulencia, sino únicamente empleando el enfoque numérico adoptado [9], como se ha comprobado en problemas similares de hidráulica de presas [10–12]. La integración temporal del problema es explicita para la velocidad e implícita para la presión con paso fraccionado. La posición de la superficie libre es detectada en cada paso de tiempo con el método levelset [13] y una función de extrapolación.

Los detalles del modelo fueron publicados por Rossi et al. [14], si bien a continuación se hace un esquema simplificado del proceso empleado por el código para la resolución del problema:

1. Aplicación de la función de extrapolación del campo de velocidades en la zona próxima externa a la superficie libre del paso de tiempo actual.

2. Aplicación de la función levelset para identificar la posición de la superficie libre en el paso de tiempo actual+1, en función del campo de velocidades obtenido con la función de extrapolación en el paso anterior.

3. Fijación de la posición de la superficie libre calculada como condición de contorno del problema en el paso de tiempo actual+1, según las funciones de Eikonal y de la distancia euleriana mediante interpolación con elementos finitos.

4. Resolución de la ecuación de conservación de la cantidad de movimiento para el cálculo de la presión, según integración temporal implícita y método de paso fraccionado con estabilización por subescalas ortogonales, para permitir un desacoplamiento de los grados de libertad del sistema.

5. Imposición de la condición de presión nula en la superficie libre antes calculada.

6. Cálculo de la velocidad en el dominio interior definido por la superficie en el paso de tiempo actual+1, según un esquema temporal explicito Runge Kutta de 4° orden y asegurando cumplir la condición de Courant-Friedrichs-Lewy para garantizar la estabilidad.

7. Reinicio del bucle en el paso 1 con paso de tiempo acutal+2.

Este código de cálculo numérico se validó para la simulación de aliviaderos con cajeros altamente convergentes y cuenco amortiguador mediante un proceso de dos etapas:

En la primera de ellas se buscó asegurar que el código numérico era capaz de reproducir condiciones tanto de resalto hidráulico contenido en el cuenco como rechazado fuera del mismo. Para llevar a cabo esta comprobación se realizó la simulación numérica de un aliviadero recto y un cuenco amortiguador de 1 m de anchura, talud 0,8, altura de labio de vertido 1,5 m y longitud de cuenco amortiguador 3 m. Sobre esta geometría se simularon tres caudales de vertido (0,050 m³/s, 0,15 m³/s, 0,250 m³/s) y dos alturas del bordillo de salida del cuenco para cada caudal modelado, alturas estas tales que cada una produjera un resalto contenido en el cuenco y otro rechazado fuera de él. A continuación se comprobó si los resultados obtenidos de los modelos numéricos quedaban comprendidos en cada caso dentro de las regiones correspondientes de resalto en cuenco o rechazado previstas por la ecuación (1) del calado conjugado, la cual está ampliamente validada experimentalmente [15].

(1) $\frac{d_2}{d_1}=0,5\left(\sqrt{1+8F_1}-1\right)$(1)

donde d₂ es el calado a la salida del cuenco, d₁ es el calado a la entrada del cuenco y F₁ es el número de Froude a la entrada del cuenco.

La segunda etapa de validación tuvo como objetivo comprobar que el modelo numérico de un aliviadero altamente convergente con cuenco amortiguador era capaz de reproducir correctamente el funcionamiento general observado en modelo físico, así como las presiones registradas en la solera de su cuenco amortiguador.

Para ello se realizó en primer lugar la simulación numérica de un modelo Simétrico 1-1-1 Liso, con alturas de bordillo de salida 0,1 m y 0,15 m, y un caudal de vertido de 0,15 m³/s. Una vez obtenidos los resultados de las simulaciones numéricas se llevaron a cabo dos ensayos experimentales en el Laboratorio de Hidráulica de la Escuela de Caminos, Canales y Puertos de la UPM (Figura 3), tales que fueran redundantes con los modelos numéricos realizados con anterioridad, para así comparar los resultados obtenidos tanto física como numéricamente, tanto desde un punto de vista cualitativo (comportamiento de flujo en cajeros laterales y del resalto en el cuenco amortiguador) como desde un punto de vista cuantitativo, comparando las distribuciones de presiones registradas en el eje de la solera del cuenco amortiguador, mediante 10 transductores de presión piezoresistivos con los que se registró el ensayo físico con una frecuencia de 30 lecturas por segundo.

Figura 3. Instalación de ensayo físico de aliviaderos con cajeros altamente convergentes del Laboratorio de Hidráulica de la Escuela de Caminos, Canales y Puertos de la UPM. Vista de configuración Simétrico 2-1-2 Liso.

Resultados y discusión

Validación del modelo numérico

Para la primera etapa de validación se realizaron 6 simulaciones numéricas de un aliviadero recto con cuenco amortiguador y distintas configuraciones de altura de bordillo de salida para provocar que el resalto fuera contenido en el cuenco y rechazado para un mismo caudal del vertido (Figura 4).

Figura 4. Primera etapa de validación. Resultados numéricos de posición de resalto para cada caudal de vertido y altura de bordillo de salida del cuenco t.

Una vez realizadas las simulaciones se obtuvieron para cada una de ellas el calado a la entrada del cuenco (d₁), a la salida (d₂) y el número de Froude a la entrada del cuenco (F₁), comprobando en función de esos parámetros su posicionamiento en las regiones de resalto en cuenco o rechazado definidas por la ecuación del calado conjugado (Figura 5). De tal forma que se comprobó como efectivamente las configuraciones en que el resalto era barrido fuera del cuenco quedaban por debajo de la línea definida por la ecuación de calado conjugado, siendo esta región la de resalto rechazado. Por el contrario los resultados de las simulaciones con resalto contenido en el cuenco quedaron por encima de la línea de calado conjugado, quedando por tanto dentro de la región de resalto en cuenco predicha por la ecuación de calado conjugado.

Figura 5. Primera etapa de validación. Resultados de las simulaciones numéricas sobre gráfico de la ecuación del calado conjugado. Donde: d₂ es el calado a la salida del cuenco, d₁ es el calado a la entrada del cuenco y F₁ es el número de Froude a la entrada del cuenco.

La segunda etapa de validación del modelo numérico consistió en comparar resultados de simulaciones numéricas y ensayos físicos desde un punto de vista cualitativo y cuantitativo.

De esta forma se compararon en primer lugar cualitativamente el funcionamiento general de los canales laterales y del cuenco amortiguador para los ensayos físicos y los modelos numéricos realizados, observándose en ambos un comportamiento general similar, con formación de flujo helicoidal en los cajeros laterales (Figura 6) y resalto en el cuenco (Figura 7 y Figura 8). Sin embargo, también se observó en el tramo inicial del cuenco una cierta discrepancia entre el modelo físico donde se aprecia una importante agitación superficial, con gran presencia de aire, y la simulación numérica donde el aire no se modela. A pesar de ello, el funcionamiento general de los modelos físico y numérico resultó ser sensiblemente similar como se ha indicado.

Figura 6. Segunda etapa de validación. Detalle de régimen helicoidal en cajero lateral. Izquierda: modelo físico. Derecha: modelo numérico. La línea de corriente helicoidal obtenida se indica en rojo.

Figura 7. Segunda etapa de validación. Comparativa del comportamiento general del cuenco en modelos físico y numérico con altura de bordillo de salida t= 0,15 m.

Figura 8. Segunda etapa de validación. Comparativa del comportamiento general del cuenco en modelos físico y numérico con altura de bordillo de salida t = 0,10 m.

Para realizar la validación cuantitativa se compararon las presiones registradas en el eje de la solera del cuenco en los ensayos físicos y en el modelo numérico (Figura 9). De esta forma se obtuvo que para la geometría con altura de bordillo de salida del cuenco de 0,15 m, las discrepancias físico-numéricas fueron en general inferiores a los 100 Pa, a excepción del último sensor donde fue de entorno a 800 Pa. Para la geometría con altura de bordillo de salida del cuenco de 0,1 m la discrepancia físico-numérica alcanza un máximo de entorno a 800 Pa en la zona inicial del cuenco, reduciéndose significativamente hasta valores de en torno a 200 Pa en la zona de más aguas abajo del cuenco.

Figura 9. Segunda etapa de validación. Comparación entre la presión registrada a lo largo del eje del cuenco amortiguador en los modelos físicos y numéricos, en valores promedio en 5 s. L es la distancia desde el pie del aliviadero, t es la altura del bordillo de salida y P es la presión registrada.

En resumen cabe indicar que se ha demostrado cómo el modelo numérico es capaz de reproducir adecuadamente el comportamiento de un resalto, así como los patrones de funcionamiento general de un aliviadero con cajeros altamente convergentes y su cuenco. Además se han mostrado cómo los registros de presión experimentales coinciden sensiblemente con los resultados de los modelo numéricos. Por todo ello se consideran los resultados obtenidos en las etapas de validación satisfactorios.

Disipación de energía en el cuenco amortiguador

Una vez validado el código numérico se llevó a cabo la campaña de modelación sobre las nueve configuraciones de aliviadero y cuenco previstas y distintas alturas de bordillo de salida.

En primer lugar se observó el comportamiento de la superficie libre (Figura 10), destacando que en las configuraciones con cuenco dentado la agitación de la superficie libre queda concentrada en la zona inicial del cuenco, en contraposición a lo que sucede con cuencos lisos, en los que la zona de agitación superficial ocupa una mayor proporción de la longitud del cuenco. Para ambas configuraciones de cuenco, el máximo nivel de agua lo determina la altura del bordillo de salida del cuenco, que junto al resguardo para contener la agitación superficial de la superficie libre del agua fija la altura de los cajeros del cuenco, destacando que no se aprecia una variación significativa de la agitación superficial para configuraciones rectas o convergentes simétricas con un mismo caudal de vertido. Sin embargo, sí se apreció una cierta concentración de agitación superficial junto a uno de los cajeros del cuenco en configuraciones asimétricas, aunque sin llegar a ser significativa como para hacer variar la altura necesaria del cajero de cuenco por ese efecto.

Figura 10. Simulaciones de la campaña de modelación numérica. Ejemplos de posición de superficie libre con resalto estable contenido en cuenco.

Por otra parte también se registró para cada modelo la velocidad en el eje longitudinal de simetría de la solera del cuenco amortiguador (Figura 11), lo que permitió estudiar el efecto producido por los cajeros laterales en el comportamiento del resalto hidráulico y en la disipación de energía del agua en el cuenco.

Figura 11. Velocidad en el eje longitudinal de la solera del cuenco amortiguador. L es la distancia desde el inicio del cuenco, v_x es la velocidad longitudinal y t es la altura del bordillo de salida expresada en m. Las líneas punteadas indican situaciones de resalto inestable barrido fuera del cuenco.

A la luz de los resultados obtenidos se aprecia que todas las configuraciones altamente convergentes modeladas, tanto simétricas como asimétricas, presentan una mayor disipación de velocidad, y por tanto de energía, que la configuración recta tradicional (Simétrico 0-1-0 Liso), como se observa en la Figura 12. También se aprecia en los resultados que con las configuraciones simétricas se alcanza una mayor disipación de energía en la zona inicial del cuenco que con las configuraciones totalmente asimétricas, si bien tiende a reducirse la diferencia cuanto menor sea la asimetría del aliviadero como sucede entre el modelo Asimétrico 2-1-1 Liso y el modelo Asimétrico 2-1-2 Liso, como se ilustra en la Figura 13.

Figura 12. Velocidad en el eje longitudinal de la solera del cuenco amortiguador para modelos con cuenco liso y altura de bordillo de salida 0,15 m. L es la distancia desde el inicio del cuenco, v_x es la velocidad longitudinal y t es la altura del bordillo de salida. Las líneas punteadas indican situaciones de resalto inestable barrido fuera del cuenco.

Figura 13. Velocidad en el eje longitudinal de la solera del cuenco amortiguador para modelos con cuenco liso y altura de bordillo de salida 0,25 m. L es la distancia desde el inicio del cuenco, v_x es la velocidad longitudinal y t es la altura del bordillo de salida. Las líneas punteadas indican situaciones de resalto inestable barrido fuera del cuenco.

Por último cabe apuntar cómo la implementación de dientes de impacto en el cuenco favorece de forma significativa la disipación de energía, así como la contención del resalto, en comparación con los cuencos lisos, especialmente para pequeñas alturas de bordillo de salida.

Caso de estudio: aliviadero de emergencia de la presa de Oroville

Introducción

La presa de Oroville está situada en el Estado de California, en Estados Unidos sobre el río Feather, siendo una presa de materiales sueltos con núcleo impermeable de arcilla de 230 m de altura, la cual fue puesta en servicio en 1968. La presa cuenta con un aliviadero principal de compuertas y un aliviadero de emergencia de vertido libre que vierte a una ladera sin revestir. Este aliviadero presenta una altura máxima sobre cimientos de 21 m, y una longitud total de 518 m, si bien solo en los 282 m iniciales cuenta con un vertedero con perfil Ogee, siendo el resto de la longitud un simple muro vertical con una limitada capacidad hidráulica [16].

La presa de Oroville no tuvo incidentes destacables en su explotación hasta 2017, cuando en un episodio de precipitaciones extraordinarias en la cuenca se produjeron una serie de averías en sus aliviaderos.

El incidente dio comienzo el 7 de Febrero de 2017, cuanto debido a la situación de fuerte precipitación en la cuenca comenzó a operar el aliviadero principal, abriendo sus compuertas para disminuir el nivel de embalse y gestionar la importante avenida que se esperaba llegaría en los próximos días. Tras unas horas de funcionamiento del aliviadero se observó que el canal de descarga había perdido en una cierta zona su revestimiento de hormigón, produciéndose una importante erosión y socavación en el terreno subyacente. La zona dañada estaba alejada del cuerpo de presa y del aliviadero, sin embargo ante el temor de que este fenómeno fuera remontante, las autoridades decidieron el cierre de las compuertas para detener el vertido por el aliviadero principal, pasando a operar con el aliviadero de emergencia si fuera necesario, lo que sucedió el día 11 de Febrero de 2017, cuando el nivel de embalse alcanzó la cota del labio de vertido del aliviadero de emergencia por primera vez desde la construcción de la presa. Sin embargo después de unas pocas horas de estar vertiendo se apreciaron fenómenos erosivos en el pie del vertedero, con el consiguiente peligro de descalce y colapso del aliviadero de emergencia en caso de que la erosión continuara avanzando.

Por lo tanto, las autoridades decidieron preventivamente dar la orden de evacuación de unos 200.000 residentes de la zona inundable aguas abajo de la presa. Para detener en lo posible el proceso erosivo aguas abajo del aliviadero de emergencia, se volvieron a abrir parcialmente las compuertas del aliviadero principal, para intentar así disminuir el caudal desaguado por el aliviadero de emergencia. El aliviadero principal operó varias horas de esta manera, observándose que el daño en el canal de descarga producido el día 7 de Febrero no era remontante. En consecuencia se optó por incrementar hasta su máxima capacidad el caudal vertido por el aliviadero principal, para dejar de operar con el aliviadero de emergencia cuanto antes, lo que sucedió el día 12 de Febrero. A partir de ese momento comenzaron los trabajos de reparación urgente para la consolidación del pie del aliviadero de emergencia. El día 14 de Febrero las autoridades revocaron la orden de evacuación de los residentes, si bien el aliviadero principal operó desaguando caudal hasta el día 27 de Febrero, dándose por finalizada la crisis en esa fecha.

El incidente descrito tuvo como consecuencias principales la destrucción de un tramo de longitud considerable del canal de descarga del aliviadero principal, la socavación de la ladera subyacente y el depósito en el cauce de un volumen significativo del material erosionado. Así mismo ladera de aguas abajo del aliviadero de emergencia sufrió importantes erosiones, especialmente críticas en las proximidades del pie del vertedero, y que podrían haber conducido al descalce y colapso de la estructura (Figura 14).

Figura 14. Consecuencias del incidente en la presa de Oroville. Izquierda: canal de descarga del aliviadero principal y del cauce. Derecha: ladera de aguas abajo del aliviadero de emergencia, donde se observa la erosión generalizada. Fuente: [17].

En Abril de 2017 se adjudicaron a la empresa estadounidense Kiewit por un importe total cercano a los 245 millones de Dólares [18] los trabajos de reparación de los daños sufridos en el episodio descrito del mes Febrero, los cuales comprendían el dragado de los materiales erosionados y depositados en el cauce, la reparación del canal de descarga del aliviadero principal y la protección frente al descalce del aliviadero de emergencia mediante la construcción, con hormigón compactado con rodillo (HCR), de un refuerzo escalonado y continuo a lo largo del vertedero [19], como se muestra en el esquema de la Figura 15. Cabe destacar que el presupuesto dedicado para estos trabajos de protección es de 42 millones de Dólares. Así mismo desde un punto de vista hidráulico se aprecia que el escalonado propuesto no contempla una transición progresiva hasta la unión con el labio de vertido, lo que podría afectar a la eficiencia del vertido. Además esta solución sigue dejando gran parte de la ladera aguas abajo del vertedero expuesta a la erosión. Estos aspectos podrían ser susceptibles de mejora, y por ello se han analizado en este trabajo.

Figura 15. Esquema de restauración licitada para el aliviadero de emergencia. Elaboración propia, adaptado de [19].

En esta línea, se considera que la implementación de cajeros altamente convergentes asimétricos en el aliviadero de emergencia podría haber sido una solución adecuada para su restauración, a la vista de la geometría del vertedero y la topografía de ladera, según los resultados del proyecto CALA expuestos anteriormente en este artículo.

La consideración de este diseño no convencional podría haber permitido realizar la protección frente al descalce con una obra de menor extensión, disipando una parte importante de la energía de vertido en la propia estructura, y concentrando el caudal desaguado en una zona más reducida, limitando así la zona de ladera a proteger frente a la erosión.

Alternativa para el aliviadero de emergencia de la presa de Oroville

La topografía de la ladera existente al pie del aliviadero de emergencia de la presa de Oroville presenta una geometría particular, con un perfil escalonado de manera longitudinal al aliviadero, con tres zonas sensiblemente horizontales y dos escalones casi verticales, como se aprecia en la Figura 14 derecha. La zona de ladera horizontal de menor cota se encuentra en el tramo más próximo al aliviadero principal y tiene una longitud aproximada de 85 m. A continuación existe un escalón vertical de unos 10 m, donde comienza la siguiente zona de ladera horizontal. Por último, y coincidiendo con el final del vertedero de perfil Ogee, existe otro escalón vertical de unos 2 m que da comienzo a la última zona de ladera horizontal.

A la vista de la geometría de ladera descrita esta resulta propicia para encajar un cuenco amortiguador en la zona de terreno horizontal de menor cota, y un cajero lateral altamente convergente en la zona horizontal de cota intermedia. De esta forma todo el vertido del aliviadero confluiría en un cuenco de mucha menor anchura que el labio del vertedero. Por último, el tramo de aliviadero contiguo a la zona horizontal de terreno de mayor cota podría recrecerse, ya que su eficacia de vertido es muy limitada al carecer este tramo de un perfil hidrodinámico Ogee, y por tanto la repercusión en los calados de desagüe será mínima. Sin embargo, este recrecimiento favorece de forma significativa un diseño adecuado del aliviadero altamente convergente.

A continuación se expone el predimensionamiento realizado para este diseño, mediante modelación numérica con el código Kratos descrito anteriormente, siendo este un primer encaje del lado de la seguridad propio de un estudio previo y por tanto susceptible de una mayor optimización de formas y dimensiones.

En consecuencia, tras realizar la modelación numérica de varias geometrías de cajeros y cuencos con el caudal de avenida de proyecto de 4250 m³/s se llegó a un diseño con un funcionamiento hidráulico adecuado, consistente en un cajero lateral de ancho variable, con 6 m de altura y un botaolas de 4 m. Este cajero apoya en el terreno, por lo que su pendiente es variable en función de la topografía. Se ha comprobado que este diseño del cajero es suficiente para que no se produzcan desbordamientos del mismo en ningún punto.

En cuanto a la solución de cuenco amortiguador esta se encajaría en la zona de menor cota del terreno aguas abajo del vertedero, siendo la geometría que presentó un mejor comportamiento, en cuanto al comportamiento del resalto y disipación de energía, la consistente en un cuenco de 40 m longitud y altura del bordillo de salida de 5,5 m, siendo según las condiciones topográficas su anchura variable entre 75 m y 90 m. El interior del cuenco cuenta con tres filas de dientes de impacto con dimensiones de 4 m de ancho y 3 m de alto, con 4 m de espaciamiento entre dientes (Figura 16).

Figura 16. Perspectiva de la solución de cajero altamente convergente y cuenco dentado para el aliviadero de emergencia de la presa de Oroville.

La adecuada combinación de dientes de impacto y el bordillo de salida ha permitido conseguir un colchón de agua suficiente que permite una adecuada disipación de energía para el flujo que procede del cajero lateral, pero sin que ese colchón sea de tal altura que anegue el cajero provocando su desbordamiento. Se ha observado que para el caudal de avenida de proyecto, este diseño de cuenco amortiguador disiparía una parte importante de la energía del agua (Figura 17), si bien la pendiente de la ladera aguas abajo del mismo aconseja disponer algún sistema de protección ante la erosión [20], ya sean tipo escollera, bloques articulados (ACBs) o bloques en forma de cuña [21,22].

Figura17. Simulación numérica de la solución de aliviadero de cajero altamente convergente propuesto. Caudal simulado 4250 m³/s. Izquierda: perspectiva con posición de la superficie libre. Derecha: vista en planta del campo de velocidades registrado en la superficie libre.

En todo caso, la extensión a proteger será más reducida que de no haber seleccionado una solución de cajero altamente convergente, el cual concentra el flujo en una zona de escasa extensión en comparación con la longitud total del labio de vertido (Figura 18), y favorece la disipación de energía.

Figura 18. Izquierda: estado previo al incidente del aliviadero de emergencia. Centro: situación durante del incidente. Derecha: simulación numérica de la solución propuesta, donde se aprecia la concentración del vertido en una zona reducida, aguas abajo de la cual debería protegerse la ladera. Fuente de las imágenes de la presa: [17].

El coste de esta solución predimensionada de cajero altamente convergente y cuenco dentado se ha estimando en 12 millones de Dólares, según tanteo del volumen de hormigón y armado requeridos para llevarla a cabo.

Conclusiones

A pesar de que la propia guía estadounidense FEMA propone los cajeros laterales como protección frente al descalce de presas de fábrica, la solución finalmente adoptada para la reparación del aliviadero de emergencia de la presa de Oroville consiste en un refuerzo escalonado mediante hormigón compactado con rodillo. La implementación de una solución con cajeros laterales, como recomienda la propia guía técnica, habría requerido de una campaña de estudios específicos para su diseño, ante la falta de criterios generales para su cálculo, lo que ha resultado incompatible con la urgencia requerida a la reparación, la cual debía estar completada según pliego antes de la próxima temporada de lluvias.

En este trabajo se ha puesto de manifiesto cómo la restauración del aliviadero de emergencia utilizando un diseño de cajero lateral altamente convergente y cuenco amortiguador dentado podría haber sido una opción adecuada, tanto desde un punto de vista técnico como económico.

Así mismo se debe resaltar que gracias a los trabajos relativos a cajeros asimétricos y cuencos dentados del proyecto CALA se han obtenido unas pautas básicas, que han permitido el predimensionamiento de la solución propuesta para la restauración del aliviadero de emergencia de la presa de Oroville. Esto pone de manifiesto cómo contar con criterios de diseño y herramientas adecuadas para el diseño de soluciones innovadoras permitiría aumentar la eficiencia de las inversiones en infraestructuras hidráulicas.

Agradecimientos

Los autores agradecen al Ministerio de Ciencia e Innovación de España la financiación de este trabajo mediante el proyecto CALA perteneciente a la convocatoria Retos Colaboración (RTC-2016-4581-5), así como a la Generalitat de Cataluña por el apoyo económico a CIMNE vía el programa CERCA.