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EVALUACIÓN DE ALIVIADEROS HIDRÁULICOS

Presa de W.A.C. Bennett

Ondas de choque en el Aliviadero de Chute

En la presa de WAC Bennett, las diferencias en la geometría del aliviadero entre el modelo hidráulico físico a partir de los años sesenta y el actual prototipo dificultan la extracción de conclusiones fiables sobre la formación de ondas de choque y la capacidad del aliviadero a partir de resultados de pruebas en un modelo físico.

La magnitud de las ondas de choque en el conducto del aliviadero de hormigón forrado está muy influenciada por una reducción del 44% en el ancho del canal aguas abajo de las tres puertas radiales en la cabeza de obra, así como las aperturas relativas de las puertas radiales. Las ondas de choque conducen a niveles localmente más altos del agua que han causado sobrecargas de las paredes del canal en ciertas operaciones históricas.

Pruebas de derrame sobre prototipo con descargas de hasta 2.865 m3/s fueron llevadas a cabo en 2012 para proporcionar mediciones de perfiles de la superficie de agua a lo largo de las paredes del canal, las exploraciones láser 3D de la superficie del agua en el canal y el vídeo del modelo calibrado de los patrones de flujo para FLOW-3D  mostraron un acuerdo entre ellas, (modelo numérico y las observaciones de campo) particularmente para la ubicación y altura de la primera onda de choque en las paredes del conducto (Figura 1).

 

Figura 1

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El modelo calibrado de FLOW-3D confirmó que el diseño de la prueba de inundación se podía pasar con seguridad sin sobrecargar las paredes del canal del aliviadero si las tres puertas radiales se abrían según lo prescrito.

El modelo CFD también proporcionó información sobre el daño en el conducto del aliviadero. Índices de cavitación fueron calculados a partir de FLOW-3D y fueron comparados con los datos empíricos del USBR y se encontró que eran coherentes con el rendimiento histórico del aliviadero. El análisis numérico apoyó las inspecciones de campo que concluyeron que el deterioro de la condición del canal del aliviadero no se debía a la cavitación.

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Presa de Trathcona

Condiciones de aproximación pobre del flujo e incertidumbre de las curvas de descarga del aliviadero 

FLOW-3D se utilizó para investigar las malas condiciones de aproximación e incertidumbres con las curvas de descarga del aliviadero de la presa de Strathcona, que incluye tres portones verticales de elevación en el estribo derecho de la presa.

Las curvas de descarga para el aliviadero de Strathcona se desarrollaron a partir de una combinación de ajustes empíricos y pruebas limitadas de modelos físicos hidráulicos en un canal que no incluía geometría de los muelles y pilares.

Las pruebas de calibración y de los modelos numéricos se basaron en comparaciones con observaciones de derrames sobre prototipos de 1982 cuando las tres puertas estaban completamente abiertas, lo que supuso una gran depresión en la superficie del agua, aguas arriba de la Bahía (Figura 2).

El flujo aproximado a la bahía de la izquierda está distorsionado por el agua que fluye paralela al eje de la presa y se hunde sobre el muro de contención de hormigón adyacente a la ladera de aguas arriba de la presa. El flujo entra en las otras dos bahías mucho más suavemente. Además de los patrones de flujo muy similares producidos en el modelo numérico en comparación con el prototipo, los niveles de agua simulada coincidían con las mediciones de 1982.

 

Figura 2

El modelo CFD calibrado produce descargas dentro del 5% de la curva de descarga del aliviadero para el rango de funcionamiento normal del depósito, con todas las puertas completamente abiertas.

Sin embargo, en niveles más altos en el reservorio, que puede ocurrir durante el paso de grandes inundaciones (como se muestra en la figura 3), la diferencia entre las descargas simuladas y las curvas de descarga es superior al 10% ya que las pruebas sobre el modelo físico fueron llevadas a cabo con geometría simplificada y por lo tanto las correcciones empíricas no representaron adecuadamente los patrones complejos del flujo cercano.

El modelo de FLOW-3D proporcionó mayor conocimiento sobre las curvas de descarga para bahías individuales, condiciones de cierre y de transición entre orificio y el flujo de superficie libre.

Figura 3

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Presa de John Hart

Optimización del aliviadero propuesto

La presa de hormigón John Hart fue modificada para incluir un nuevo aliviadero de cresta libre que se situó entre un aliviadero cerrado ya existente y una estructura de salida de bajo nivel que está actualmente en construcción. Se realizaron mejoras significativas en el diseño del aliviadero propuesto mediante un proceso de optimización sistemático utilizando FLOW-3D.

El diseño preliminar del aliviadero de cresta libre se basó en guías de diseño en ingeniería hidráulica. Los bloques de hormigón estaban diseñados para proteger la roca en la punta de la presa. Una nueva pared de entrenamiento derecho guiará el flujo desde el nuevo aliviadero hacia el canal de entrada a la piscina y protegerá la estructura de salida de bajo nivel de las descargas de los aliviaderos.

Los resultados del modelo de FLOW-3D para el diseño inicial y optimizado del nuevo aliviadero se muestran en la figura 4.

El análisis CFD llevó a un aumento del 10% en la capacidad de descarga, disminución significativa en el impacto vial por encima de la cresta del aliviadero y patrones de flujo mejorados incluyendo hasta una reducción de 5 m en los niveles de agua a lo largo de la pared derecha propuesta.  Para comprobar el diseño propuesto se utilizarán pruebas de modelos físicos hidráulicos.

 

 

Figura 4

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Conclusión

BC Hydro ha estado utilizando FLOW-3D para investigar una amplia gama de problemas hidráulicos para diferentes tipos de aliviaderos y estructuras de transporte de agua que llevan una mejor comprensión de los patrones de flujo y rendimiento.

Los datos del prototipo y pruebas de modelos físicos hidráulicos fiables se utilizan siempre que sea posible para mejorar la confianza en los resultados del modelo numérico.

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Fuente: FLOW-3D