Comparasion of unidimensional and bidimensional flow models for earthen dam failures

El desarrollo de ordenadores cada vez más potentes y las recientes investigaciones en el campo de la hidroinformática hace posible la modelización del flujo en lámina libre en dos dimensiones producido por una rotura de una presa de materiales sueltos. En el presente trabajo se comparan los resultados obtenidos mediante el modelo unidimensional HEC-RAS y el bidimensional CARPA. La comparativa se hace analizando el efecto que tienen las hipótesis simplificadoras implícitas en el uso de la plataforma HEC-RAS de unidimensionalidad, no infiltración y existencia de flujo inicial, sobre los hidrogramas de caudal en una sección testigo situada aguas abajo del eje drenante. Los modelos utilizados reproducen el flujo de agua generado por una posible rotura de la balsa número 1 del sector 5 del canal Segarra-Garrigues en la cuenca del río Ebro en España.Peer ReviewedPostprint (published version

Design of Drainage Downspouts Systems over a Road Embankment

[EN] Numerous studies have examined the complex relationship between factors like embankment downspout spacing, height, slope, and rainfall characteristics in the quest to find the best spacing for embankment downspouts. Defining the correct spacing between road drainage elements is of utmost importance in minimizing water flow on roadways. This paper presents a methodology based on numerical methods for the design of road drainage systems using the Iber model. The objective of the work is to propose a tool and criteria for analyzing the hydraulic behavior of runoff on highways, determine the appropriate drainage behavior, and apply the methodology in a case study. This case study is based on a straight highway section with slopes up to 5%, according to Spanish road design regulations. Different dimensions are considered for the chute, drainage channel, collection nozzle, and downspout over the embankment. Tests are carried out to evaluate the separation between downspouts, the longitudinal slope, and the size of the nozzles. The results show the suitable hydraulic performance of the model, besides providing the absorption capacity of each downspout. The influence of the nozzle size, the slope, and the width of the causeway on the draughts and velocities is analyzed. The influence of downspout spacing and nozzle type on road drainage design is determined. In summary, this article presents a methodology and criteria for the design of road drainage systems and shows the results obtained in a case study using the Iber model. The results help in understanding the influence of different variables on the hydraulic behavior of road runoff and provide relevant information for proper drainage design.Aranda Domingo, JÁ.; Sánchez-Juny, M.; Sanz-Ramos, M.; Beneyto, C. (2023). Design of Drainage Downspouts Systems over a Road Embankment. Water. 15(20):1-19. https://doi.org/10.3390/w15203529119152

El rol de los términos de fricción y cohesión en la modelización bidimensional de fluidos no Newtonianos: avalanchas de nieve densa

La modelización numérica de fluidos no Newtonianos (relaves mineros, avalanchas de nieve, etc.) requiere la consideración de modelos reológicos específicos para calcular el esfuerzo cortante. El modelo de fricción de Voellmy es una de las teorías más populares, especialmente en el modelado de avalanchas de nieve. Recientemente, Bartelt propuso un modelo de cohesión para dar cuenta de esta propiedad física intrínseca de algunos fluidos. Sin embargo, la interpretación física del rango de valores del modelo de fricción-cohesión de Voellmy-Bartelt no ha sido suficientemente investigada, y este trabajo pretende llenar este vacío. Los resultados muestran que el modelo de Voellmy domina la dinámica de la avalancha y el modelo de cohesión permite la representación de colas largas, mientras que los parámetros de fricción y cohesión pueden variar dentro de un amplio rango. Adicionalmente, se propone la definición de un valor para el coeficiente de fricción turbulento basado en los mapas de usos del suelo del CORINE y el coeficiente de Manning para el mapeo de inundaciones

Physical modeling of a stepped spillway without sidewalls

The interest of a consulting company in designing stepped spillways in roller compacted concrete (RCC) dams led us to propose the possibility of building this type of spillway without sidewalls. Previous research on stepped spillways has focused on characterizing the complex hydraulic behavior of flow on these structures, as well as design criteria. Such studies have usually been conducted on stepped spillways with a constant width along the spillway, that is, with sidewalls. In the present work, we report the results of the physical modeling of a generic stepped spillway without sidewalls (slope 1v:0.8h). In general terms, the lack of sidewalls produces a lateral expansion of water and therefore a non-uniform longitudinal and transversal discharge distribution. Consequently, the flow type, characteristic water depth, velocity, air concentration, and pressure fields change along and across the spillway. The resulting data demonstrate that the distribution of the different variables studied depend on the specific discharge at the entrance and the spillway heightPeer ReviewedPostprint (author's final draft

Modelització numèrica 2D en embassaments: temperatura i transport de sediments a l'embassament de Riba-Roja (riu Ebre)

En aquesta comunicació es presenta un breu resum dels treballs realitzats a l’embassament de Riba-Roja d’Ebre, per tal de conèixer i estudiar el comportament hidrodinàmic, l’evolució tèrmica i la dinàmica sedimentària del mateix. Es resumeixen breument els treballs de camp realitzats i la instrumentació utilitzada per tal d’obtenir les dades necessàries per dur a terme l’estudi. També es presenten simulacions realitzades mitjançant dos models numèrics bidimensionals molt diferents: el model CE-QUAL-W2 (hidrodinàmica i temperatura 2D en la longitud i la profunditat) i el model Iber (hidrodinàmica i transport de sediments en suspensió, 2D en el pla). Finalment es comparen i discuteixen els resultats obtinguts, tot comparant-los amb les dades reals obtingudes in situ.Peer Reviewe

Computational modelling of fine sediment relocation within a dam reservoir by means of artificial flood generation in a reservoir cascade

An edited version of this paper was published by AGU. Copyright (2019) American Geophysical Union.Sediment relocation is a process where water turbulence moves deposits from shallower to deeper zones of a lake or reservoir. Additionally, in the context of a reservoir cascade relocation is a one of the possible sediment management strategies used to maintain the operational capacity of reservoirs. Numerical modelling tools applied to sediment dynamics can help to better understand the reservoir sedimentary processes and enhance the design of management strategies. This paper describes the detailed analysis of the cohesive sediment dynamics within a reservoir and a methodology for the calibration of numerical models for the management of sediment deposits through dam operation and upstream generation of artificial floods. The calibration process was based on an Accumulated Sediment Volume (ASV) curve and the usage of simplified models for an initial parameter estimation. The calibrated model has been applied to analyse different possibilities of sediment relocation strategies.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Hidràulica

L'objectiu principal del llibre és cobrir el temari i servir de suport als estudiants d'Hidràulica, assignatura troncal de les tres titulacions que s'imparteixen a l'ETSCCPB: Enginyeria Superior de Camins, Canals i Ports, Enginyeria Geològica i Enginyeria Tècnica d'Obres Públiques. El llibre comença amb una introducció de les característiques mecàniques principals dels fluids (capítol 1). Posteriorment s'analitzen les propietats dels fluids en repòs (capítol 2) i s'estableixen les equacions principals que controlen els fluids en moviment (capítol 3). A continuació s'estudia el transport dels fluids en làmina lliure (capítols 4 a 11). Als dos darrers capítols (12 i 13) s'analitza el moviment dels fluids a pressió en conductes tancats. Cada capítol és complementat amb exercicis i problemes resolts, com també amb enunciats de problemes d'exàmens. Atès el grau de detall amb què es desenvolupa cada tema, aquest llibre pot resultar d'interès tant per a estudiants com per a professionals del ram de la hidràulica

Aznalcóllar disaster: muds or acid waters?

[EN] The pond-breack of the mining tails of the Aznalcóllar complex that occurred on April 25, 1998 was an unprecedented catastrophe. Millions of cubic meters of a complex fluid flooded the riverbeds and riverbanks of the Agrio, Guadiamar and, to a lesser extent, Guadalquivir rivers. Despite being one of the most studied events, from the hydraulic point of view there are still uncertainties. Denominated as a “muds” spill by several authors, many others treat it as a fluid composed of “muds” and “acidic waters”, both, according to their name, with different hydraulic behavior. This work analyzes the nature of the fluid spilled from the video-recordings made during the event. This has made it possible to establish a first classification according to the dynamic and static behavior observed. According to this analysis, the spill reveals that the fluid behaved more like a highly concentrated sediment-laden flow than like a mud flow.[ES] La rotura de la balsa de estériles mineros del complejo de Aznalcóllar acaecida el 25 de abril de 1998 fue una catástrofe sin precedentes. Millones de metros cúbicos de un fluido complejo inundaron los cauces y riberas de los ríos Agrio, Guadiamar y, en menor medida, Guadalquivir. A pesar de ser uno de los eventos más estudiados, desde el punto de vista hidráulico todavía existen incertidumbres. Denominado como un vertido de «lodos» por diversos autores, otros tantos lo tratan como un fluido compuesto por «lodos» y por «aguas ácidas», ambos, según su denominación, con un comportamiento hidráulico distinto. En este trabajo se analiza la naturaleza del fluido vertido a partir de las grabaciones de vídeo realizadas durante el evento. Esto ha permitido establecer una primera clasificación según el comportamiento dinámico y estático observado. Según este análisis, el vertido se comportó más como un fluido hiperconcentrado de partículas en suspensión que como un fluido de lodo.Los autores quieren agradecer a Canal Sur Radio y Televisión (Radiotelevisión Pública de Andalucía, RTVA) y al Fondo Documental RTVE (Radiotelevisión Española, RTVE) por facilitar los vídeos de los informativos emitidos tras el evento, gracias a lo cual el análisis del comportamiento del fluido ha sido posible para contrastar la precisión de fuentes de terceros. Asimismo, los autores muestran su agradecimiento al Sr. Benigno Bayán, ingeniero retirado de la Confederación Hidrográfica del Guadalquivir, que ha aportado información muy valiosa para la comprensión de la física del vertido.Sanz-Ramos, M.; Bladé, E.; Dolz, J.; Sánchez-Juny, M. (2021). El desastre de Aznalcóllar: ¿lodos o aguas ácidas?. Ingeniería del agua. 25(3):229-239. https://doi.org/10.4995/ia.2021.15633OJS229239253AGE y JA. 1999. Comisión de coordinación para la recuperación de la Cuenca del Guadiamar. Memoria de actuaciones - Abril 19. Administración General del Estado y Junta de Andalucía. Sevilla, España.Alonso, E.E, Gens, A.2006a. Aznalcóllar dam failure. Part 1: Field observations and material properties, Géotechnique, 56(3), 165-183. https://doi.org/10.1680/geot.2006.56.3.165Alonso, E.E, Gens, A. 2006b. Aznalcóllar dam failure. Part 3: Dynamics of the motion, Géotechnique, 56(3), 203-210. https://doi.org/10.1680/geot.2006.56.3.203Antón-Pacheco, C., Arranz, J.C., Barettino, D., Carrero, G., Giménez, M., Gómez, J.A., Gumiel, J.C., López-Pamo, E., Martín Rubí, J.A., Martínez-Pledel, B., de Miguel, E., Moreno, J., Ortiz, G., Rejas, J.G., Silgado, A, Vázquez, E.M. 2001. Actuaciones para el reconocimiento y retirada de los lodos depositados sobre el terreno, y su restauración edáfica y orfológica, Boletín geológico y Minero, V. Especial, 93-122 [online] Disponible en http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=135572Arenas, J.M., Carrascal, F., Gil, A., Montes, C. 2008. Breve historia de la construcción del Corredor Verde del Guadiamar, en La restauración ecológica del río Guadiamar y el proyecto del corredor verde. La historia de un paisaje emergente, pp. 29-64, Consejería de Medio Ambiente, Junta de Andalucía. Sevilla, España. [online] Disponible en http://www.juntadeandalucia.es/medioambiente/web/Bloques_Tematicos/Patrimonio_Natural._Uso_Y_Gestion/Espacios_Protegidos/publicaciones_renpa/restauracion_ecologica_rio_guadiamar/02_breve_historia_de_la_construccion.pdfAyala-Carcedo, J. 2004. La rotura de la balsa de residuos mineros de Aznalcóllar (España) de 1998 y el desastre ecológico consecuente del río Guadiamar: causas, efectos y lecciones, Boletín geológico y Minero, 115(4), 711-738.Beverage, J.P., Culbertson, K. 1964. 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The FC Algorithm to Estimate the Manning’s Roughness Coefficients of Irrigation Canals

Freshwater scarcity has driven the integration of technological advancements and automation systems in agriculture in order to attempt to improve water-use efficiency. For irrigation canals, water-use efficiency is, in great measure, limited by the performance of management systems responsible for controlling the flow and delivering water to the farmers. Recent studies show a significant sensitivity of the results obtained from irrigation canal control algorithms with respect to the Manning’s roughness coefficient value, thus, highlighting the importance of its correct estimation to ensure an accurate and efficient water delivery service. This is the reason why the friction coefficient algorithm was developed, to monitor the real behaviour of any irrigation canal by calculating the Manning’s roughness coefficient constantly. The friction coefficient algorithm was conceived as a powerful offline tool that is integrated in a control diagram of any irrigation canal, concretely in an optimization control algorithm, which can reconfigure canal gates according to the current crop water demand and the real Manning’s roughness coefficient values. The friction coefficient algorithm has been applied in several irrigation canals and different scenarios, with accurate results obtaining an average Manning coefficient deviation among 2 × 10-4 and 4.5 × 10-4.Peer ReviewedPostprint (published version

Dams or ponds classification based on a new criterion to assess potential flood damage to roads in case of failure

Dams are hydraulic infrastructure that have several purposes, such as irrigation, hydropower, water supply, flood control, recreation, fish breeding and navigation. However, their failure or malfunctioning can pose a threat to downstream communities, and thus, their safety is paramount to public protection and economic security. A variety of approaches to classify dams can be found in countries worldwide. Their classification allows to distinguish among those that are to be subject to safety regulation in each country. A common approach to classify them is according to their potential damage in case of failure. Roads are usually among the infrastructures that these approaches consider to be assessed in terms of the level of damage that can suffer. A new people-centred criterion is proposed in this paper to assess potential intangible damage (i.e. human lives) when roadways could be flooded due to a dam failure. This novel methodology is based on the Average Daily Traffic (ADT) of roadways and sets a maximum and a minimum number of vehicles expected in the area receiving the flood. To evaluate its appropriateness, it is verified from the results obtained after being applied to three existing ponds located in Catalonia (Spain).Peer ReviewedPostprint (published version