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Bureau of Reclamation Una Introducción a Análisis de Suficiencia de Vertederos para Presas
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Bureau of Reclamation
Una Introducción a Análisis de
Suficiencia de Vertederos para
Presas
Ingeniero David Stolpa
Docente Universidad Católica
Boliviana, “San Pablo” de Tarija
Ex-director de Hidráulica del
Departamento de Transporte de Texas
(jubilado)
La ingeniería como profesión es
primordialmente responsable de
preservar la seguridad, salud y
bienestar de la sociedad.El liderazgo para servir al público es con
organizaciones profesionales y
universidades.
Brighthub Engineering
The engineering profession is responsible for holding paramount the safety, health, and welfare of the public.
The leadership to serve the public is with professional organizations and universities.
GENERAL
www.doovi.com
Las represas son una parte integral de la
infraestructura de la sociedad. Pueden
proporcionar un reservorio para el agua
municipal, agrícola, e industrial.
Pueden servir para el control de la
inundación, pueden ser utilizados para los
propósitos recreacionales, y pueden
proporcionar el agua para la energía
hidroeléctrica.
Dams are an integral part of the infrastructure of society. They can provide a reservoir for municipal,
agricultural, and industrial water. They can serve for flood control, they can be used for recreational purposes,
and they can provide water for hydroelectric power.
Sin embargo, el agua
almacenada en los
embalses representa
energía potencial.
Si una represa no está
diseñada, construida,
operada y mantenida
adecuadamente, esta
energía potencial destinada
al bien de la sociedad
puede ser destructiva!However, the water stored in reservoirs represents potential
energy. If a dam is not designed, constructed, operated, and
maintained properly this potential energy intended for the good of
society can also be destructive.
CNN
El potencial de daño de una falla de la presa
es una función de su altura, almacenaje del
embalse, y modo de la falta.
Las presas altas con grandes embalses pueden
causar mayor daño.
businessinsider.com
The potential for damage from a dam failure is a function of its height, reservoir storage, and failure mode
(sudden or slow). High dams with large reservoirs can cause the most damage.
Generalmente, las presas se clasifican
primero en cuanto a tamaño con respecto a
altura y almacenaje.
En los Estados Unidos, las tres categorías de
tamaño son pequeñas, intermedias, y grandes.In the United Sates, the three size categories are small, intermediate, and large.
TCEQ
El riesgo (clasificación de peligros) presentado
por un fallo de la presa es una medida del
potencial de pérdida de vida y daños
materiales que pueden ocurrir en caso de un
fallo.
NO es una clasificación de la condición de una
presa.
Los daños a la propiedad pueden incluir
pérdidas inmediatas y daños a largo plazo en
términos de costo (relativamente fácil de
medir). The risk (hazard classification) presented by a dam failure is a measure of the potential for loss of life and
property damage that can occur in an event of a failure. It is NOT a classification of the condition of a dam.
Property damage can include immediate loss and long-term damage in terms of cost (relatively easy to measure).
También incluye costos a largo plazo
para la sociedad y los costos
ambientales (no es tan fácil de
medir).
El costo más grave es la pérdida de
vidas, lesiones y el shock traumático
a largo plazo para las víctimas.
Este costo no puede ser medido.
Also included are long-term costs to society and environmental costs (not so easy to measure). The most serious
cost is the loss of life, injuries, and long term traumatic shock to the victims. This cost cannot be measured.
También se puede aplicar una
clasificación especial de peligros a los
embalses con contaminantes tóxicos
como los estanques de desechos mineros.A special hazard classification can also be applied to reservoirs with toxic contaminants such as mine
waste ponds.
colorado edu
Las clasificaciones típicas del peligro
son generalmente: The typical hazard classifications are usually:
"Bajas" (ninguna pérdida de vida), “Low” (no loss of life),
"Significativo" (poca pérdida de
vida) “Significant” (few loss of life), and
"Alto" (más que algunas pérdidas
de la vida), “High” (more than a few loss of life).
Los MODOS de FALLA Failure modes
www.fs.frd.us
Los modos de falla incluyen la filtración y
sobrecargas (la causa más común de falla) Failure modes include seepage and overtopping (most common cause of failure)
damfailures.org
worldpress.com
The potential for overtopping is evaluated through the design process known as spillway adequacy analysis.
Spillway adequacy analysis consists of a hydrology study to determine inflows to the reservoir and the
hydraulic design of the dam outlet structures to pass the inflows downstream without overtopping the dam.
El potencial para el rematado se evalúa a
través del proceso de diseño conocido
como análisis de adecuación del
vertedero.
El análisis de adecuación del vertedero
consiste en un estudio de hidrología
para determinar los flujos de entrada al
embalse y el diseño hidráulico de las
estructuras de salida de la presa para
pasar las entradas aguas abajo sin
rebasar la represa.
In the United States, the hydrologic standard (with some variations) for dam design is based on the Probable Maximum Precipitation (PMP) and the derivative Probable Maximum Flood (PMF). The PMF is a transform
of the PMP to effective runoff.
Estudio de Hidrología
En los Estados Unidos, el estándar
hidrológico (con algunas variaciones) para
el diseño de la presa se basa en la
precipitación máxima probable (PMP) y la
inundación máxima probable derivada
(PMF).
El PMF es una transformación del PMP a
la escorrentía eficaz.
The percentage of the PMF that a dam is required to pass is typically based on the size and hazard
classification of the dam.. The greater the potential for loss of life and downstream damage, the higher
the hazard classification.
El porcentaje de PMF que se requiere
que una presa pase se basa
típicamente en el tamaño y la
clasificación del peligro de la presa.
Por fin, cuanto mayor sea el potencial
de pérdida de vidas y de daño
descendente, mayor será la
clasificación de los peligros.
Un ejemplo de
criterios técnicos
es el uso de la
precipitación
máxima
probable (PMP)
para el diseño
hidrológico
An example of technical criteria is the use of
the probable maximum rainfall (PMP) for
hydrologic design
El PMP puede ser una cantidad casi
increíble de lluvia.
En el centro de Texas el PMP de 24
horas por 25 km cuadrados es de
1270 mm.
En el centro de Texas el PMP es
aproximadamente cuatro veces mayor
que la tormenta de 100 años.
The PMP can be an almost unbelievable amount of rainfall. In central Texas the 24-hour PMP for
10-square miles is 42 inches. In Central Texas the PMP is about four times greater that of the 100-
year storm.
Never-the-less, a near PMP event of about 38 inches (90 percent PMP) event occurred near Austin in 1921., The point is, the occurrence of PMP events is a real possibility.
Nunca-el-menos, un acontecimiento
cercano del PMP de cerca de 1260 mm
(90 por ciento PMP) acontecimiento
ocurrió cerca Austin en 1921.
El punto es, la ocurrencia de los
acontecimientos del PMP es una
posibilidad verdadera.
El máximo de 24 horas de lluvia registrada en el mundo es de 2430 mm.
The recorded maximum 24-hr world rainfall is 74 in.
En Tarija, las 24 horas, 100 años de
lluvia son alrededor de 110 mm.
Si la relación de Texas es apropiada
(probablemente no), el PMP podría ser
tanto como 440 mm.
Por supuesto, se necesita un estudio PMP
para Tarija
In Tarija, the 24-hour, 100-year rainfall is about 4.3 inches. If the Texas relationship is appropriate (likely not),
the PMP could be as much as 17.3 inches. To be sure, a PMP study is needed for Tarija.
El manual de la OMM,
“Manual sobre estimación
de la precipitación máxima
probable”, OMM-numero
1045, Organización
Meteorológica Mundial,
2009, es considerado la
referencia principal en las
metodologías PMP para el
mundo.The WMO manual, "Manual sobre estimación de la precipitación
máxima probable, OMM-Numero 1045, Organización
Meteorológica Mundial, 2009, is considered the primary reference
on PMP methodologies for the world.
El manual de la OMM incluye una
descripción completa de los diversos
métodos disponibles actualmente.
Cuál es el mejor utilizar depende de
muchos factores tales como localización y
características regionales.
De particular importancia es la
disponibilidad de datos básicos que no
existen en muchas partes del mundo.
The WMO manual includes a complete description of the various methods that are currently available. Which
is best to use depends on many factors such as location and regional characteristics. Of particular importance
is the availability of basic data which is nonexistent in many parts of the world.
PMP data has existed for years in the United States as “Hydrometeorological Reports (HMR)”. One of the first was “Probable Maximum Precipitation Estimates, United States East of the 105th Meridian, HMR 51”, National Weather Service, 1978. The HMR 51 method uses the moisture maximization method which is the most popular
and widely used procedure. It maximizes observed storms by assuming that the atmospheric can rise to a hypothetical upper limit that is estimated by historical, regional dew points.
Los datos PMP han existido durante años en los
Estados Unidos como “Reportes Hidrometeorológicos
(HMR)".
Uno del primer era “Estimaciones máximas probables
de la precipitación, Estados Unidos al este del
meridiano de 105th, HMR 51", NWS, 1978.
El método de HMR 51 utiliza el método de la
maximización de la humedad que es el procedimiento
más popular y ampliamente utilizado.
Maximiza las tormentas observadas asumiendo que la
atmósfera puede elevarse a un hipotético límite
superior que es estimado por puntos de rocío
históricos, regionales.
A basin-specific PMP method would probably be applicable for the Guadalquivir River basin in Tarija,
Bolivia, because of the enclosing mountains
Un método PMP
específico de la cuenca
sería probablemente
aplicable para la
cuenca del río
Guadalquivir en
Tarija, Bolivia, debido
a las montañas que las
encierran.
PMP data are described in terms of depth-area-duration values (DAD) instead of the more familiar format of
depth-duration-frequency (DDF) values. By definition, the PMP cannot be described in terms of a frequency or
return period (although some authorities put it somewhere between and 10,000 to 100,000-year event).
Los datos del PMP se describen en
términos de valores de la profundidad-
área-duración (DAD) en vez del formato
más familiar de los valores de la
profundidad-duración-frecuencia (DDF).
Por definición, el PMP no se puede
describir en términos de una frecuencia o
período de retorno (aunque algunas
autoridades lo pusieron en algún lugar
entre y 10.000 a 100.000 años de evento).
An automated procedure for using HMR 51 to develop a PMP storm is available in “HMR 52, Probable Maximum
Storm Eastern United States, User’s Manual”, United States Army Corps of Engineers, 1984. HMR 51 and HMR
52 provide a good example of the concepts for developing PMP data and the application of that data for modeling
a PMP storm.
Un procedimiento
automatizado para usar HMR
51 para desarrollar una
tormenta PMP está disponible
en "HMR 52, Probable
tormenta máxima del este de
Estados Unidos, manual del
usuario", USACE, 1984.
HMR 51 y HMR 52
proporcionan un buen
ejemplo de los conceptos para
el desarrollo de datos PMP y
la aplicación de esos datos
para modelar una tormenta
PMP.
The determination of the probable maximum flood (PMF) can be pursued once the PMP depth-area-duration values are developed. The PMF transforms the PMP into effective runoff through the use of three sub models.
These are:
La determinación de la inundación
máxima probable (PMF) puede ser
perseguida una vez que se desarrollen
los valores de la profundidad-área-
duración del PMP.
El PMF transforma el PMP en un
escurrimiento efectivo mediante el uso
de tres submodelos. Estos son:
El submodelo de tormenta PMF que se
desarrolla parcialmente a través del proceso
PMP. The PMF storm sub model which is partially developed through the PMP process.
El PMF perdidas submodelo, yThe PMF loss sub model, and
El submodelo PMF de respuesta de la cuencaThe PMF basin response sub model
El proceso PMP va a desarrollar una tormenta con la
distribución de las profundidades de las lluvias con el
espacio.
Los elementos que faltan para el modelo de la
tormenta de PMF en esta fase incluyen una
distribución de la precipitación (hyetograph) y la
determinación de la localización del centroide de una
tormenta crítica.
En muchos casos, la localización de la tormenta
centroide en la cuenca centroide maximizará el
escurrimiento de la PMF.
Este enfoque resultará en la tormenta crítica que
representa el peor de los casos para la presa.
The PMP process will develop a storm with distribution of rainfall depths with space. The elements lacking for the
PMF storm model at this phase include a rainfall distribution (hyetograph) and the determination of the location
of the centroid of a critical storm. In many cases, locating the storm centroid at the basin centroid will maximize
runoff from the PMF. This approach will result in the critical storm which represents the worst-case scenario for
the dam.
En el pasado, el uso de las distribuciones de
precipitaciones sintéticas de carga central
basadas en el procedimiento del bloque alterno
eran el método preferido para modelar las lluvias
PMP.
Una distribución popular que era de uso
frecuente era el servicio de la conservación del
suelo (SCS) tipo II, 24-hour hyetograph. El SCS
es ahora conocido como el servicio de
conservación de los recursos naturales (NRCS).
In the past, the use of synthetic, center-loaded rainfall distributions based on the alternating block
procedure were the preferred method for modeling PMP rainfall. One popular distribution that was
often used was the Soil Conservation Service (SCS) Type II 24-hour hyetograph. The SCS is now
known as the Natural Resources Conservation Service (NRCS.
Todavía se utiliza pero ha sido abandonado por el
NRCS como "poco realista" para las aplicaciones
modelo PMF.
La preferencia de muchas autoridades es hacia
las distribuciones de tipo "Huff" más naturales.
It is still used but has been abandoned by the NRCS as “unrealistic” for PMF model applications.
The preference by many authorities is towards the more natural “Huff” type distributions (USGS).
Most of the popular infiltration loss models such as Green-Ampt can be used for PMF modeling. However, the loss
models are often supplemented by the use of an antecedent storm representing a fraction of the PMF magnitude. The
antecedent storm is applied 5 to 10 days prior to the principal event.
La mayoría de los modelos populares de la pérdida
de la infiltración tales como Green-Ampt se
pueden utilizar para modelar PMF.
Sin embargo, los modelos de la pérdida se
complementan a menudo por el uso de una
tormenta antecedente que representa una fracción
de la magnitud PMF.
La tormenta antecedente se aplica de 5 a 10 días
antes del evento principal.
Las entradas modelo usuales para la respuesta
de la cuenca pueden ser consideradas como
selección de unidad-hidrograma, factores de
pico, técnicas de encaminamiento de alcance, y
grado de subdivisión de la cuenca.
La acción de las olas en el embalse y borde
libre pueden ser otra consideración.
El hielo y el deshielo pueden necesitar ser
considerados en regiones extremadamente fías.
The usual model inputs for the basin response can be considered such as unit-hydrograph selection,
peaking factors, reach routing techniques, and degree of basin subdivision. Wave action in the reservoir
and freeboard can be another consideration. Ice and snowmelt may need to be considered in extremely
cold regions .
Acción de la onda en una presaWave action on a dam
Hidráulica - Análisis de adecuación
del vertederoHydraulics - Spillway adequacy analysis
damfailures.org
Cuando que se ha desarrollado un
hidrograma de escurrimiento PMF, se puede
enrutar a través de las estructuras de embalse
y de salida de la presa.
Las estructuras de salida pueden variar en el
tipo de los canales abiertos, las entradas de la
gota con los conductos, o cualquier manera de
combinaciones.
Once a PMF runoff hydrograph has been developed, it can be routed through the reservoir and outlet structures
of the dam. The outlet structures can vary in type from open channels, drop inlets with conduits, or any manner of
combinations. All can be uncontrolled or gate-controlled.
Típicamente, una presa tendrá un
vertedero principal para pasar
frecuentes pero pequeños flujos y un
vertedero de emergencia para pasar
grandes afluencias de un
acontecimiento extremo.
Typically, a dam will have a principal spillway for passing frequent but small flows and an emergency spillway
for passing large inflows from an extreme event (damfailure.org).
Las estructuras hidráulicas se pueden diseñar
con las ecuaciones generalmente aplicables
para el flujo abierto del canal, el flujo del
vertedero, el orificio, y el flujo de las
alcantarillas.
Normalmente, la línea de grado de energía
(EGL) representa mejor la elevación del
reservorio en el reservorio en lugar de la línea
de grado hidráulico (HGL)
The hydraulic structures can be designed through the usual equations applicable for open channel flow, weir flow,
orifice, and pipe flow. Normally, the energy grade line (EGL) better represents the reservoir elevation than the
hydraulic grade line (HGL)
NRCS
Una descripción detallada sobre el análisis de
adecuación del vertedero está fuera del alcance
de esta presentación.
Sin embargo, se identificarán algunos puntos
que a menudo se desconsideran. Estos son: A detailed description on spillway adequacy analysis is beyond the scope of this presentation. However, a
few points will be identified that are often overlooked. These are:
Los programas informáticos no son
necesariamente realidad
Software vs realidad
Computer programs are not necessarily reality
Los saltos hidráulicos para los disipadores de energía en
las salidas del vertedero deben estar diseñados de
manera conservadora para contener los saltos.
Un salto hidráulico que no está contenido puede resultar
en una erosión que puede recortar en una presa.
Las paredes de un disipador de energía deben ser por lo
menos tan altas como la línea de grado de energía del
flujo antes de entrar en el salto.
Un modelo de la escala se debe utilizar para probar si
hay cualquier duda sobre el diseño.
Hydraulic jumps for the energy dissipators used at spillway outlets should be conservatively designed
to contain the jumps. A hydraulic jump that is not contained can result in erosion that can cut back
into a dam. The walls of an energy dissipator should be at least as high as the energy grade line of the
flow before entering the jump. A scale model should be used for testing if there is any doubt about the
design.
Un ejemplo de un salto hidráulico (onda) en un
disipador de energía Figure 18: An example of a hydraulic jump (wave) in an energy dissipator (FHWA)
Prueba de un diseño del vertedero con un modelo de la escala
Testing of a spillway design with a scale model (Utah State University)
El fracaso de la presa El Guapo
(1999) en Venezuela se debió a que el
salto hidráulico fue barrido del
disipador de energía y se excedió la
altura de las paredes del vertedero.
The failure of El Guapo Dam (1999) in Venezuela was likely due to the hydraulic jump being swept out of the
energy dissipator and the height of the spillway walls being exceeded.
La falla de la presa El Guapo Failure of El Guapo Dam (US. Departamento of Reclamation)
uapo
La diferencia entre la realidad y el modelado hidráulico también
tiene importancia con respecto al diseño del canal de aproximación
del vertedero, la sección de control y el conducto de desagüe.
Una vez que el agua comienza a fluir, prefiere moverse en línea recta,
especialmente si la velocidad del flujo es rápida (supercrítico).
Cambiará de dirección sin demasiado problemas solamente si el
canal converge o diverge gradualmente, de si una curva en el canal es
gradual.
Se deben evitar los cambios bruscos y rápidos en la configuración del
canal.
La mayoría de los modelos hidráulicos están limitados en su
capacidad para modelar perfiles de superficie de agua a través de
tales cambios en la configuración del canal.
The difference between reality and hydraulic modeling also has significance with regard to the design of the
spillway approach channel, the control section, and spillway chute. Once water begins to flow, it prefers to
move in a straight line, especially if the flow velocity is fast (supercritical). It will change direction without
too much problem only if the channel converges or diverges gradually, of if a curve in the channel is gradual.
Sharp, quick changes in the channel configuration should be avoided. Most hydraulic models are limited in
their ability to model water surface profiles through such changes in the channel configuration.
Plan del vertedero para la presa original de Umbarger. El vertedero
representa una convergencia abrupta asimétrica con parte del flujo que
realmente entra perpendicular al flujo de otras partes del vertedero.Plan of the spillway for the original Umbarger Dam. The spillway represents an abrupt asymmetrical
convergence with some of the flow actually entering perpendicular to the flow from other parts of the
spillway (NRCS).
El flujo convergente en la entrada da como resultado el desarrollo de ondas
de pie que se forman en el conducto de descarga.
The converging flow at the entrance results in the development of standing waves that form in the discharge
chute (NRCS).
Es difícil de ver en la foto. Sin embargo, las olas reflejan de un lado del
vertedero al otro y eventualmente exceden la altura de las paredes del
vertedero.
It is difficult to see in the photo. However, the waves reflect from one side of the spillway to the other and
eventually exceed the height of the spillway walls (NRCS).).
Stagnation pressure and spillway floor uplift . Vertical and horizontal displacement due to poor joint
details and defects can result in the failure of a spillway floor due to stagnation pressure (USBR)
Presión de estancamiento y levantamiento de piso de
vertedero.
El desplazamiento vertical y horizontal debido a los
malos detalles y defectos de la articulación puede
provocar la falla de un vertedero debido a la presión
de estancamiento.
Falta de losa de piso en Big Sandy Sam debido a la presión de
levantamiento.
Floor slab failure at Big Sandy Sam due to uplift pressure (USBR)
El peor fracaso de la presa en la historia.
La Presa Banqiao (China)
The worst dam failure in history. Banqiao Dam (China)
(chillopedia.com)
El ingeniero jefe de la presa de Banqiao
en China había recomendado 12
compuertas para el proyecto.
Sin embargo, esto fue criticado como
demasiado conservador por los
funcionarios del gobierno y el número
fue reducido a cinco.
The chief engineer for Banqiao Dam in China had recommended 12 sluice gates for project.
However, this was criticized as being too conservative by government officials and the
number was reduced to five.
La presa y otros en la cuenca fueron
sobrecargados durante un evento de
tormenta extrema en 1975 y falló.
Se estima que 171.000 personas
murieron. https://en.wikipedia.org/wiki/Banqiao_Dam
The dam and others in the watershed were overtopped during an extreme storm event in 1975 and failed.
An estimated 171,000 people died. It was the worst dam failure in history (chillopedia.com)
Más copias completas de esta
presentación y otras están disponibles en
el centro de copia de UCB.
1. "Introducción a las Seguridad de las
Presas"
2. “Una Introducción a Análisis de
Suficiencia de Vertederos para
Presas”
3. “Una Introducción al Análisis de la
ruptura de las Presas y Mapas del
Inundación”
PREGUNTAS ?
GRACIAS !
