Wedge-shaped blocks: a historical review

The article aims to be an introduction to the history of the wedge-shaped blocks technology. As it is well known, the WSBs protection system was born in the middle of 20th century in the former Soviet Union. Even though its basis of operation remains, relevant studies have been yielded in order to apply this kind of protection in real cases. Besides, direct application in several case studies has shed some light on practical difficulties and the need of new technical criteria to overcome them. Thus, applied research has been developed in countries such United Kingdom, USA, Portugal, and Spain, among others. The article consists of three parts. It commences with a brief summary of some relevant research and development studies. Afterwards, a description group of case studies of stepped block spillways is included. Finally, the article ends with a short compilation of the state of the art of the current design criteria

Mejora de la seguridad de las presas de escollera frente a percolación accidental mediante protecciones tipo repié

Esta tesis doctoral es el fruto de un trabajo de investigación cuyo objetivo principal es definir criterios de diseño de protecciones en forma de repié en presas de materiales sueltos cuyo espaldón de aguas abajo esté formado por escollera. La protección propuesta consiste en un relleno de material granular situado sobre el pie de aguas abajo de la presa y formado a su vez por una escollera con características diferenciadas respecto de la escollera que integra el espaldón de la presa. La función de esta protección es evitar que se produzcan deslizamientos en masa cuando una cantidad de agua anormalmente elevada circula accidentalmente por el espaldón de aguas abajo de la presa por distintos motivos como pueden ser el vertido por coronación de la presa o la pérdida de estanqueidad del elemento impermeable o del cimiento. Según los datos de la International Commission on Large Dams (ICOLD 1995) el 70% de las causas de rotura o avería grave en presas de materiales sueltos en el mundo están dentro de las que se han indicado con anterioridad. Esta circulación accidental de agua a través del espaldón de escollera, típicamente turbulenta, se ha denominado en esta tesis percolación (“through flow”, en inglés) para diferenciarla del término filtración, habitualmente utilizada para el flujo laminar a través de un material fino. El fenómeno físico que origina la rotura de presas de materiales sueltos sometidas a percolación accidental es complejo, entrando en juego diversidad de parámetros, muchas veces no deterministas, y con acoplamiento entre procesos, tanto de filtración como de arrastre y deslizamiento. En esta tesis se han realizado diferentes estudios experimentales y numéricos con objeto de analizar el efecto sobre el nivel de protección frente al deslizamiento en masa que producen los principales parámetros geométricos que definen el repié: la anchura de la berma, el talud exterior y su altura máxima desde la base. También se han realizado estudios sobre factores con gran influencia en el fenómeno de la percolación como son la anisotropía del material y el incremento de los caudales unitarios en el pie de presa debidos a la forma de la cerrada. A partir de los resultados obtenidos en las distintas campañas de modelación física y numérica se han obtenido conclusiones respecto a la efectividad de este tipo de protección para evitar parcial o totalmente los daños provocados por percolación accidental en presas de escollera. El resultado final de la tesis es un procedimiento de diseño para este tipo de protecciones. Con objeto de completar los criterios de dimensionamiento, teniendo en cuenta los mecanismos de rotura por erosión interna y arrastre, se han incluido dentro del procedimiento recomendaciones adicionales basadas en investigaciones existentes en la bibliografía técnica. Finalmente, se han sugerido posibles líneas de investigación futuras para ampliar el conocimiento de fenómenos complejos que influyen en el comportamiento de este tipo de protección como son el efecto de escala, la anisotropía de la escollera, las leyes de resistencia que rigen la filtración turbulenta a través de medios granulares, los efectos de cimentaciones poco competentes o la propia caracterización de las propiedades de la escollera de presas. This thesis is the result of a research project that had the main objective of defining criteria to design rockfill toe protections for dams with a highly‐permeable downstream shoulder. The proposed protection consists of a rockfill toe berm situated downstream from the dam with specific characteristics with respect to the rockfill that integrates the shoulder of the main dam. The function of these protections is to prevent mass slides due to an abnormally high water flow circulation through the dam shoulder. This accidental seepage flow may be caused by such reasons as overtopping or the loss of sealing at the impervious element of the dam or its foundation. According to data from the International Commission on Large Dams (ICOLD 1995), 70% of the causes of failure or serious damage in embankment dams in the world are within that described previously. This accidental seepage of water through the rockfill shoulder, typically turbulent, is usually called through‐flow. The physical phenomenon which causes the breakage of the rockfill shoulder during such through‐flow processes is complex, involving diversity of parameters (often not deterministic) and coupling among processes, not only seepage but also internal erosion, drag or mass slide. In this thesis, numerical and experimental research is conducted in order to analyze the effects of the main parameters that define the toe protection, i.e. the toe crest length, its slope and maximum height. Additional studies on significant factors which influence the seepage, such as the anisotropy of the material and the increase of the unit flows at the dam toe due to the valley shape are also performed. In addition, conclusions regarding the effectiveness of this type of protection are obtained based on the results of physical and numerical models. The main result of the thesis is a design procedure for this type of protection to avoid mass sliding. In order to complete the design criteria, additional recommendations about internal and external erosion based on the state of the art are included. Finally, new lines of research are suggested for the future to expand the level of knowledge of the complex phenomena that influence the behavior of this type of protection, such as the effects of scale, rockfill anisotropy, non‐linear seepage laws in turbulent seepage through granular media, effects of erodible foundations, or new procedures to characterize the properties of dam rockfill as a construction material

Interpretación de los datos de auscultación de presas por métodos no convencionales

Las conferencias presentadas durante la Jornada Técnica sobre Avances en investigación aplicada en seguridad hidráulica de presas organizada por el Centro de Estudios Hidrográficos del CEDEX y la Universidad Politécnica de Madrid el mes de junio de 2013 versan sobre la mejora de la seguridad hidráulica de las presas, una materia de especial importancia en nuestro país (habida cuenta del elevado número de infraestructuras de regulación en servicio y de su antigüedad media) y constituye una tarea en la que tanto el CEDEX como la Universidad Politécnica de Madrid han trabajado activamente en los últimos años. Todo profesional familiarizado con las presas conoce la dificultad de analizar su comportamiento, a veces sorprendente, con el grado de aproximación deseado. Esta dificultad emana de la complejidad de todos los elementos que afectan al modo en que la presa y el terreno de apoyo responden a las solicitaciones, y también a la complejidad de las propias solicitaciones. Muchas de las características del conjunto presa-terreno escapan a las posibilidades de modelación mediante los modelos disponibles de base teórica

Corrigendum to “An empirical comparison of machine learning techniques for dam behaviour modelling” [Struct. Saf. 56 (2015) 9–17]

The authors wish to report an error in Fig. 1 of the above-mentioned article. The correct position of the monitoring devices is shown below

Estudio de la rotura de presas de material granular grueso uniforme no cohesivo sin elemento impermeable. Fase de inicio.

Se presentan los resultados obtenidos mediante modelación física de la rotura de presas de escollera por sobrevertido, los trabajos se enmarcan en el proyecto de investigación del Plan Nacional de I + D 2007/2011 denominado XPRES. Los ensayos en modelo físico han servido p a ra evaluar el papel de una serie de parámetros como la altura de presa H, el talud aguas abajo N, y el diámetro medio de la escollera D50. El material utilizado en estos ensayos tiene las características de un material granular grueso uniforme no cohesivo. En este proyecto participan de forma coordinada la UPM el CEDEX y el CIMNE

Analysis of the discharge capacity of radial-gated spillways using CFD and ANN - Oliana Dam case study.

The paper focuses on the analysis of radial-gated spillways, which is carried out by the solution of a numerical model based on the finite element method (FEM). The Oliana Dam is considered as a case study and the discharge capacity is predicted both by the application of a level-set-based free-surface solver and by the use of traditional empirical formulations. The results of the analysis are then used for training an artificial neural network to allow real-time predictions of the discharge in any situation of energy head and gate opening within the operation range of the reservoir. The comparison of the results obtained with the different methods shows that numerical models such as the FEM can be useful as a predictive tool for the analysis of the hydraulic performance of radial-gated spillways

Design and construction of the Barriga Dam spillway through an improved wedge-shaped block technology

The Barriga Dam (Burgos, Spain) is a unique case study because its trapezoid spillway is located on the dam body and is composed of wedge-shaped concrete blocks (WSB) that include certain relevant improvements. This note summarizes the main features of the studies, the key aspects of the final design of the WSB and their placement on the dam, and important details of the spillway design. The design team concluded the study by showing the suitability of this enhanced technology for application to small dams and ponds in the short term, even with unit flows above 5 m2/s

Avances en investigación aplicada mediante modelación física y numérica en el diseño de la ingeniería de presas

En la actualidad, y en todo el mundo, hay en desarrollo un muy importante número de proyectos de obras hidráulicas de diversa naturaleza (presas, canales, desaladoras, tanques de tormentas, centrales hidroeléctricas, obras de saneamiento, etc.), donde España es, en muchas ocasiones, el marco de referencia. En este artículo, se presentan algunas de las principales investigaciones en curso en el campo de la modelación física y numérica de la ingeniería de presas, con el objetivo de mejorar el conocimiento de los fenómenos hidráulicos que intervienen en su gestión y desarrollar nuevas herramientas de diseño que permitan dar solución a problemas hidráulicos complejos

Estudio de protecciones frente al sobrevertido de presas de materiales sueltos mediante repié de escollera

El contenido del artículo se enmarca dentro de la línea de investigación iniciada hace años por la unidad docente de presas de la ETSI de Caminos, Canales y Puertos de la Universidad Politécnica de Madrid (en adelante UPM), referente al estudio del vertido por coronación (también denominado sobrevertido u overtopping, en inglés) en presas de escollera. Este tema está adquiriendo importancia a nivel mundial y prueba de ello es que importantes organismos a nivel mundial están investigando y redactando manuales de protecciones de presas frente al sobrevertido. El objetivo principal de la investigación es estudiar el efecto de las protecciones de escollera sobre la seguridad de la presa en situación de sobrevertido, analizando la influencia de su geometría y tipo de material utilizado, con el fin de definir criterios de dimensionamiento de este tipo de protecciones que eviten la rotura de la presa por deslizamiento en masa. El trabajo objeto del artículo se basa en una serie de ensayos en modelo físico realizados en el Laboratorio de Hidráulica de la ETSI de Caminos, Canales y Puertos de la UPM con motivo del trabajo de investigación tutelado llevado a cabo en 2008 dentro del Departamento de Ingeniería Civil: Hidráulica y Energétic

Modelación numérica de deslizamientos de ladera en embalses mediante el método de partículas y elementos finitos (PFEM)

Se presentan resultados preliminares obtenidos mediante la aplicación del método de partículas y elementos finitos (PFEM) en la simulación de deslizamientos de ladera en embalses. Es un fenómeno complejo, por la interacción entre el material deslizado, la masa de agua del embalse, y la presa. PFEM es un esquema numérico original con el que se ha afrontado con éxito la resolución de problemas de interacción fluido-estructura. Combina un enfoque lagrangiano con la resolución de las ecuaciones de elementos finitos mediante la generación de una malla, que se actualiza en cada paso de tiempo. Los resultados presentados corresponden a unos casos simplificados que se han comparado con ensayos en laboratorio disponibles en la bibliografía técnica. Se muestran también los resultados de la modelación tridimensional del deslizamiento ocurrido en Lituya Bay (Alaska) en 1958. Una vez calibrados y validados experimentalmente, los modelos PFEM pueden ser una herramienta útil en el análisis de riesgos frente a este tipo de fenómenos, ofreciendo una buena aproximación de las afecciones potenciales, lo que puede servir de ayuda a las administraciones y organismos explotadores de las presa