Analysis of the actions for the design of energy dissipation basins in the overflow of concrete dams

[SPA] El vertido libre por coronación es comúnmente adoptado en presas de fábrica, como método para desaguar los caudales de avenidas y reincorporar el agua en el cauce a través de un cuenco de disipación de energía. Para asegurar el correcto funcionamiento de las presas y evitar la erosión y socavación aguas abajo de la estructura, es necesario caracterizar las acciones hidrodinámicas presentes en el cuenco de amortiguación. Por ello, en este trabajo se ha llevado a cabo una caracterización de presiones, velocidades y tasas de aireación en el cuenco de disipación de un aliviadero de vertido libre. Esta Tesis Doctoral consta de dos campañas experimentales. Por un lado, se ha realizado una medición de velocidades y tasas de aireación en el interior de resaltos hidráulicos sumergidos y, por otro lado, se ha efectuado una campaña experimental de presiones en el fondo del cuenco de disipación. La finalidad de la campaña de aireación y velocidades ha sido analizar las características del resalto hidráulico sumergido. Para ello, se han estudiado cinco resaltos hidráulicos diferentes, donde se ha analizado la fracción de vacío, la ondulación de la superficie libre, la frecuencia de cambio de fase, la distribución de velocidades y el tamaño medio de burbuja en el interior del cuenco de disipación. Con la campaña de presiones se ha caracterizado la distribución de presiones en la solera del cuenco amortiguador en el ámbito temporal y frecuencial, así como la disipación de energía de chorros rectangulares, desde la descarga en el aliviadero hasta la restitución en el cauce. Para llevar a cabo el estudio temporal de presiones se han tenido en cuenta, además de la nueva campaña experimental, cuatro estudios de chorros rectangulares realizados en diferentes instalaciones de laboratorio. La comparación de estos cincos estudios ha permitido diferenciar entre chorros rectangulares bidimensionales y tridimensionales. Se ha caracterizado la presión dinámica media, la fluctuación de presión dinámica media, las presiones extremas instantáneas en el punto de estancamiento y la distribución de presión media en el entorno del punto de estancamiento. Para llevar a cabo el estudio frecuencial de presiones se han registrado los datos con frecuencias de muestreo de 20, 200 y 1000 Hz, con la finalidad de caracterizar los espectros de energía y analizar el diferente comportamiento de los chorros desarrollados y no desarrollados en condiciones de colchón efectivo y no efectivo. Además, se ha analizado la función de densidad espectral en el entorno del punto de estancamiento. La disipación de energía se ha estudiado en chorros rectangulares bidimensionales y tridimensionales. Con ello, se han caracterizado las pérdidas en el aire o durante la caída del chorro, en el pozo de acumulación (producidas por la recirculación del chorro) y en la deflexión del chorro aguas abajo de la zona de impacto, obteniendo una ley de pérdida de energía global para chorros rectangulares. Por lo tanto, con esta Tesis Doctoral se contribuye a mejorar el conocimiento existente en los fenómenos de sobrevertido, y con ello conseguir una mayor seguridad a la hora de diseñar nuevas presas, o en el caso de presas existentes, mejorar su acondicionamiento a la presencia de avenidas más intensas, debido al cambio climático. [ENG] The overtopping of dams is commonly adopted in concrete dams as a method for dewatering flood flows and reincorporating water back into the channel through an energy dissipation basin. To ensure the correct functioning of the dams and to avoid erosion and scour downstream of the structure, it is necessary to characterise the hydrodynamic actions present in the plunge pool. Therefore, in this work, a characterisation of pressures, velocities, and aeration rates in the dissipation basin of an overflow weir has been carried out. This Doctoral Thesis consists of two experimental campaigns. On the one hand, the measurement of velocities and aeration rates in the interior of submerged hydraulic jumps was conducted. On the other hand, an experimental campaign of pressures in the bottom of the dissipation basin was carried out. The purpose of the aeration and velocity campaign was to analyse the characteristics of the submerged hydraulic jump, formed downstream of the incident jet. For this purpose, five different hydraulic jumps have been studied, where the void fraction, free surface undulation pattern, phase change frequency, distribution of velocities and mean bubble size inside the dissipation basin have been analysed. The pressure campaign was conducted to characterise the pressure distribution in the bottom of the plunge pool in the time and frequency domain, as well as the energy dissipation of rectangular jets, from the discharge to its restitution in the riverbed. In order to carry out the temporal study of pressures, the data from four studies of rectangular jets carried out in different laboratory facilities were taken into account in conjunction with the present experimental campaign. The comparison of these five studies made it possible to differentiate between two-dimensional and three-dimensional rectangular jets. The mean dynamic pressure, the fluctuating dynamic pressure, the extreme instantaneous pressures at the stagnation point and the pressure distribution around the stagnation point were characterised. To carry out the frequency study of pressures, data were recorded at sampling frequencies of 20, 200 and 1000 Hz, in order to characterise the energy spectra and to analyse the different behaviour of the developed and undeveloped jets under effective and ineffective cushion conditions. In addition, the spectral density function in the vicinity of the stagnation point has been analysed. The energy dissipation has been studied in two-dimensional and three-dimensional rectangular jets. With this, the losses in the air or during the fall of the jet, in the water cushion depth under nappe (produced by the recirculation of the jet) and on the deflection of the jet downstream of the impact zone have been characterised, obtaining a global energy loss law for rectangular jets. Therefore, this Doctoral Thesis contributes to improving the existing knowledge on overtopping phenomena, and with it to achieving greater safety when designing new dams, or in the case of existing dams, improve their adaptation to the presence of more intense floods, due to climate change.Escuela Internacional de Doctorado de la Universidad Politécnica de CartagenaUniversidad Politécnica de CartagenaPrograma de Doctorado en Tecnología y Modelización en Ingeniería Civil, Minera y Ambienta