Modeling flow through non linear coarse porous media by a finite difference scheme, with application to rockfill dams overtopping

La circulación del agua a través de medios porosos gruesos, como la escollera, la grava o incluso la arena de mayor tamaño, tiene la particularidad de exhibir una relación no lineal entre el gradiente hidráulico y la velocidad de filtración. Uno de los problemas de ingeniería en que se observa esto es cuando se produce un sobrevertido en una presa de escollera y el agua, pasando sobre su coronación, se infiltra en el espaldón y circula por su interior. La modelación numérica del problema se resuelve aquí mediante un esquema de diferencias finitas, que se implementa en el código MNLEE.RDS para su aplicación al sobrevertido en presas de escollera. Además, se proporciona un procedimiento para resolver el acoplamiento del movimiento del agua en lámina libre sobre el talud de la presa y de filtración por el interior del espaldón, mediante la introducción del concepto «ley de intercambio de caudales».Flow through coarse porous media, as rockfill, gravel or sand of big size, exhibit a non linear relation between hydraulic gradient and seepage velocity. This behavior is observed when water flows over the crest of a rockfill dam, seeps into the downstream shoulder and moves through the rockfill voids. A finite difference scheme is used here to solve this problem through numerical modeling. It is implemented in the code MNLEE.RDS for solving dam overtopping problems. In addition, a procedure is provided to solve the coupled problem of flow over and through the rockfill dam. For that purpose, the concept of «law of flow exchange»is introduced.Peer Reviewe

Modeling the hydraulic performance of the aeration system in dam bottom outlets using the particle finite element method

Los desagües de fondo juegan un papel fundamental en la seguridad de las presas, ya que permiten controlar el caudal liberado en cada momento, y por tanto el nivel de embalse por debajo del nivel máximo normal. Desde principios del siglo xx se ha observado que para el correcto funcionamiento del desagüe y para evitar daños durante su operación, es conveniente disponer un sistema de aducción de aire aguas abajo de las compuertas, donde pueden aparecer presiones negativas. De otro modo, es frecuente que se produzcan daños por cavitación y vibraciones. Debido a la dificultad para tomar datos o hacer estudios del fenómeno in situ y a escala real, el diseño de los sistemas de aireación se ha realizado tradicionalmente a partir de ensayos en laboratorio con modelos físicos a escala reducida, con cuyos resultados se han obtenido diferentes fórmulas empíricas que estiman el caudal de aire necesario para diseñar el sistema de aducción. En el presente trabajo el problema se estudia mediante modelación numérica, incluyendo la interacción agua-aire. Para ello se utiliza el método de partículas y elementos finitos (PFEM), que había sido previamente aplicado y validado para el análisis del comportamiento de otras estructuras hidráulicas. De este modo se pretenden evitar los efectos de escala inherentes a los ensayos en modelo físico y analizar con más detalle los parámetros fundamentales. Los resultados permiten obtener conclusiones acerca de la influencia de las variables que intervienen.Dam bottom are key elements to control the water surface elevation below the spillway crest level. As a consequence, they are essential in reservoir management, and play a vital role in dam safety. The convenience of installing an aeration system in dam bottom outlets is well known nowadays. Otherwise, damages due to cavitation and vibration are frequently serious, as could be observed in several dams built in the beginning of the 20th century. The intrinsic features of the phenomenon make it hard to analyze either in situ or in full scaled experimental facilities. As a consequence, most of the previous studies have been carried out in small-scale physical models. The results of these works have been used to develop empirical formulas which provide an estimation of the maximum air demand of the aeration system. The progress in the development of numerical methods allows addressing this problem using numerical modeling. The Particle Finite Element Method (PFEM) had been previously applied and validated for the analysis of the performance of other hydraulic structures. In this work, it has been used to simulate air-water interaction in free-flowing gated conduits. The objective is to avoid the scale effects of physical modeling and to study in detail the key parameters. The results clarify the behaviour of the involved fluids (air and water) and provide information about the influence of the main variables that affect their circulation.Peer Reviewe

A methodology for the design of dam spillways with wedge shaped blocks based on numerical modeling

Wedge shaped blocks spillways are an innovative solution that allows spilling over the downstream shoulder of earth and rock-fill dams in a safe way. However, they have been barely used as main spillway due to the lack of practical design criteria. An innovative procedure for computer-aided design of wedge shaped blocks spillways is presented in this paper. It includes the design of the drainage and supporting layer considering its seepage capacity and stability. The leakage flow through the joints between blocks is estimated by means of a numerical model calibrated and validated from experimental results. Stability against sliding of the downstream shoulder or the drainage layer is ensured, considering the properties of the granular material selected by the designer and non-linear resistance laws. The procedure will also suggest the shape of a toe protection.Los aliviaderos de bloques en forma de cuña son una solución innovadora que permite el vertido sobre el espaldón de presas de escollera y tierras de una manera segura. Sin embargo, apenas se ha utilizado esta tecnología como vertedero principal debido a la falta de unos criterios prácticos de diseño. En este trabajo se presenta un procedimiento innovador para el diseño asistido por ordenador de aliviaderos de bloques en forma de cuña, incluyendo el diseño completo del drenaje considerando su capacidad de evacuación de caudales infiltrados entre bloques y su estabilidad. El caudal infiltrado se estima por medio de un modelo numérico calibrado y validado a partir de resultados experimentales. El procedimiento propone un diseño que garantiza la estabilidad del propio espaldón de la presa ante deslizamiento en masa considerando las propiedades del material de construcción y leyes de filtración no lineales. El procedimiento también permite definir una protección para el pie de presa tipo repié de escollera.Peer Reviewe

Investigación sobre el diseño de protecciones tipo repié para evitar el deslizamiento en masa de presas de escollera sometidas a perculaciones extremas

Este trabajo es el fruto de una tesis doctoral 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 este trabajo 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. A lo largo de la investigación 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 del trabajo 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

Protecciones de escollera frente al sobrevertido en presas de materiales sueltos

Este trabajo constituye el inicio de una investigación cuyo objetivo final es definir criterios de diseño de las protecciones de escollera en forma de repié situadas sobre el talud de aguas abajo de una presa de escollera. La función de estas protecciones es evitar el proceso de deslizamiento en masa que puede producirse cuando el agua vierte sobre la coronación de la presa como consecuencia de la insuficiencia de sus órganos de desagüe. Queda fuera del ámbito de este trabajo el estudio de la erosión que también puede producirse. El trabajo se enmarca en el proyecto de investigación XPRES, en el que participan CEDEX, CIMNE y la UPM, y cuyo objeto es estudiar la rotura de las presas de escollera por sobrevertido y su protección. Tras el análisis del estado del arte, se realizaron ensayos en modelo físico de 6 casos diferentes con distintas secciones tipo de material granular, no cohesivo, diferente para la presa y la protección. Estos ensayos se han realizado en un recinto de ensayo de 13,7 m (largo) x 2,4 m (ancho) x 1,4 m(alto); la altura de la presa ha sido de 1 m y el volumen del material utilizado en cada ensayo ha sido de entre 4,1 m3 y 5 m3. También se realizó la modelación numérica de la filtración y el cálculo de la estabilidad en masa correspondiente, calibrados mediante los datos obtenidos mediante modelación física. Como caso de referencia se ensayó la rotura de la presa sin proteger para, de esa forma, tener criterio de comparación y evaluar el incremento de la seguridad alcanzado en cada uno de los 6 casos ensayados. A partir de los ensayos realizados y de la modelación matemática se han obtenido conclusiones respecto a la idoneidad de este tipo de protección para evitar la rotura de presasa de escollera en situación de sobrevertido. Para ello se ha analizado el caudal de sobrevertido soportado comparándolo con el que soportaría la presa sin protección alguna, así como el aumento del coeficiente de seguridad al deslizamiento de la presa protegida y su incremento respecto de la presa sin protección. Se ha podido comprobar la bondad de los métodos de cálculo habitualmente utilizados en la práctica ingenieril, haciendo uso de modelos de filtración con ley de resistencia lineal y modelos de deslizamiento en masa por métodos de equilibrio límite (concretamente se ha utilizado el método de Bishop), como medio para analizar la estabilidad de este tipo de solución. Finalmente, se establecieron las pautas de las nuevas investigaciones a realizar en lo sucesivo para alcanzar el objetivo final: definir criterios concretos de diseño fáciles de llevar a la práctica

Advanced computational methods for dam protections against overtopping

The paper presents an overview on the computational tools developed in CIMNE for the analysis of the behavior of rockfill dams in overtopping scenarios, as well as for the design of protections systems against overtopping. In this latter case two different applications are presented: the design tool for a wedge shaped blocks (WSB) shoulder protection and the computational models for the analysis of the hydraulic performance of highly convergent spillways. Advanced finite element techniques are combined with particle techniques and artificial neural networks in the framework of the Kratos Multiphysics for reaching the optimal solution procedure for any of the above mentioned problems. An extensive validation is carried out using experimental data provided by the SERPA group of the Technical University of Madrid

Acceptability and feasibility of a virtual community of practice to primary care professionals regarding patient empowerment : A qualitative pilot study

Background: Virtual communities of practice (vCoPs) facilitate online learning via the exchange of experiences and knowledge between interested participants. Compared to other communities, vCoPs need to overcome technological structures and specific barriers. Our objective was to pilot the acceptability and feasibility of a vCoP aimed at improving the attitudes of primary care professionals to the empowerment of patients with chronic conditions. Methods: We used a qualitative approach based on 2 focus groups: one composed of 6 general practitioners and the other of 6 practice nurses. Discussion guidelines on the topics to be investigated were provided to the moderator. Sessions were audio-recorded and transcribed verbatim. Thematic analysis was performed using the ATLAS-ti software. Results: The available operating systems and browsers and the lack of suitable spaces and time were reported as the main difficulties with the vCoP. The vCoP was perceived to be a flexible learning mode that provided up-to-date resources applicable to routine practice and offered a space for the exchange of experiences and approaches. Conclusions: The results from this pilot study show that the vCoP was considered useful for learning how to empower patients. However, while vCoPs have the potential to facilitate learning and as shown create professional awareness regarding patient empowerment, attention needs to be paid to technological and access issues and the time demands on professionals. We collected relevant inputs to improve the features, content and educational methods to be included in further vCoP implementation. Trial registration: ClinicalTrials.gov, NCT02757781. Registered on 25 April 2016

Four Dimensions of Journalistic Convergence: A preliminary approach to current media trends at Spain

Convergence is a very polysemous concept that has been used to describe various trends in journalism that have something in common: the blurring of the limits between different media, professional skills and roles. This paper proposes to analytically structure convergence into four dimensions: integrated production, multiskilled professionals, multiplatform delivery and active audience. This analytical grid can help in exploring convergence avoiding deterministic assumptions and allowing to map its development in different media companies as an open process with diverse outcomes. A sample of 58 Spanish cases is studied using the conceptual framework. Multiplatform delivery is the most popular convergence strategy, and in any given dimension developments tend not to radically change established professional routines and values. Integration and multiskilling dimensions seem to be closely related and mainly developed in local and regional media with small staffs. Delivery and audience strategies are more complex in national media

Diseño de aliviaderos de bloques en forma de cuña

Los aliviaderos de bloques en forma de cuña son una tipología innovadora que permite el sobrevertido sobre el cuerpo de presas de materiales sueltos de una manera segura, con la consiguiente ventaja económica que presenta frente a las soluciones habituales de aliviaderos exentos de hormigón. Sin embargo apenas se ha aplicado esta solución de aliviadero por algunas incertidumbres que plantea, fundamentalmente en cuanto al desarrollo de presiones intersticiales en la capa granular de apoyo de los bloques y sus efectos sobre la estabilidad de los mismos, así como por la ausencia de procedimientos técnicos de diseño. En esta monografía se ha propuesto un procedimiento completo para el diseño de aliviaderos con bloques en forma de cuña, el cual se ha automatizado mediante el desarrollo de un código informático propio. Como base para el desarrollo del procedimiento de diseño se han desarrollado varias campañas de modelación numérica, respaldadas por ensayos de validación en modelo físico. De tal forma que se caracterizó el comportamiento de la capa de drenaje y sus condiciones de saturación, se desarrolló un método para el ajuste numérico-experimental de leyes de pérdida de carga parabólica en medios porosos, así como una formulación para el cálculo del coeficiente de seguridad a deslizamiento de una capa de drenaje parcialmente saturada. También se calibró y validó un método numérico para reproducir el fenómeno de infiltración entre bloques. Finalmente se caracterizó la estabilidad de los bloques en forma de cuña ante acciones de vandalismo y frente a solicitaciones hidráulicas debidas al sobrevertido. Según los resultados obtenidos en las campañas de modelación se propone un procedimiento de cálculo que permite definir la geometría apropiada de aliviadero, garantizando la estabilidad del cuerpo de presa, de la capa de drenaje y de los propios bloques, evitando la subpresión en el apoyo granular de los mismos con las incertidumbres que ello acarrea

A machine learning based methodology for anomaly detection in dam behaviour

Dam behaviour is difficult to predict with high accuracy. Numerical models for structural calculation solve the equations of continuum mechanics, but are subject to considerable uncertainty as to the characterisation of materials, especially with regard to the foundation. As a result, these models are often incapable to calculate dam behaviour with sufficient precision. Thus, it is difficult to determine whether a given deviation between model results and monitoring data represent a relevant anomaly or incipient failure. By contrast, there is a tendency towards automatising dam monitoring devices, which allows for increasing the reading frequency and results in a greater amount and variety of data available, such as displacements, leakage, or interstitial pressure, among others. This increasing volume of dam monitoring data makes it interesting to study the ability of advanced tools to extract useful information from observed variables. In particular, in the field of Machine Learning (ML), powerful algorithms have been developed to face problems where the amount of data is much larger or the underlying phenomena is much less understood. In this monograph, the possibilities of machine learning techniques are analysed for application to dam structural analysis based on monitoring data. The typical characteristics of the data sets available in dam safety are taking into account, as regards their nature, quality and size. A critical literature review is performed, from which the key issues to consider for implementation of these algorithms in dam safety are identified. A comparative study of the accuracy of a set of algorithms for predicting dam behaviour is carried out, considering radial and tangential displacements and leakage flow in a 100-m high dam. The results suggest that the algorithm called “Boosted Regression Trees” (BRT) is the most suitable, being more accurate in general, while flexible and relatively easy to implement. The possibilities of interpretation of the mentioned algorithm are evaluated, to identify the shape and intensity of the association between external variables and the dam response, as well as the effect of time. The tools are applied to the same test case, and allow more accurate identification of the time effect than the traditional statistical method. Finally, a methodology for the implementation of predictive models based on BRT for early detection of anomalies is presented, together with its implementation in an interactive tool that provides information on dam behaviour, through a set of selected devices. It allows the user to easily verify whether the actual data for each of these devices are within a pre-defined normal operation interval