Análisis experimental y numérico de la eficacia del lavado de sedimentos en embalses
- Autores: Jorge Augusto Toapaxi Álvarez
- Directores de la Tesis: Luis Gerardo Castillo Elsitdié (dir. tes.), Sebastián Guillén Ludeña (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Cartagena ( España ) en 2024
- Idioma: español
- Número de páginas: 228
- Títulos paralelos:
- Experimental and numerical analysis of sediment flushing efficiency in reservoirs
- Tribunal Calificador de la Tesis: José María Carrillo Sánchez (presid.), Sarai Díaz García (secret.), Carmelo Juez Jiménez (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Tecnología y Modelización en Ingeniería Civil, Minera y Ambiental por la Universidad Politécnica de Cartagena
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Repositorio Digital de la UPCT
- Resumen
- español
El lavado de sedimentos en embalses (flushing) es uno de los métodos adoptados en las presas para evacuar los sedimentos y recuperar el volumen de almacenamiento de agua. Para que esta técnica tenga éxito, es necesario analizar los parámetros presentes durante el desembalse del flujo agua-sedimento, como están relacionados y como inciden en la eficacia del lavado.
Por ello, en esta investigación se ha llevado a cabo un análisis sistemático de la capacidad de erosión de un volumen de agua para la evacuación de sedimentos en embalses, considerando: la profundidad de agua, el espesor del estrato de sedimentos, la pendiente del fondo, la longitud del embalse y el tipo de sedimento (tres arenas). También se ha realizado un análisis de la capacidad de los modelos numéricos existentes en dos y tres dimensiones (2D y 3D) para la simulación del lavado de embalses.
La metodología consta de dos etapas: modelo experimental en laboratorio, y modelos numéricos en 2D y 3D. El modelo experimental se ha desarrollado en el canal hidrodinámico del Laboratorio de Hidráulica de la Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT), en el cual, se analizó las variables que intervienen en el lavado de sedimentos y se determinó su grado de incidencia e interacción; en total se han realizado dos ensayos de desembalse de agua y noventa ensayos de lavado de sedimentos. La evolución de los perfiles de agua y sedimento se ha registrado mediante sensores ubicados a lo largo del canal y dos cámaras de vídeo ubicadas en la zona del estrato de sedimentos. El tratamiento de imágenes y de datos se ha realizado con el programa MATLAB (licencia adquirida por la Escuela Politécnica Nacional, EPN).
Los modelos numéricos seleccionados para representar el lavado de sedimentos en embalses fueron: Iber (2D) de uso libre y FLOW-3D de uso comercial (licencia adquirida por la UPCT). En la aplicación de los modelos numéricos se han considerado las etapas de calibración y validación, con datos de los ensayos experimentales del desembalse de agua y del lavado de sedimentos.
En este estudio se ha obtenido una ecuación general de la eficacia del lavado de sedimentos en embalses (volumen de sedimento evacuado respecto a volumen de agua liberado), en función de: la disponibilidad de agua, la acumulación del sedimento, el tipo de sedimento y las características geométricas del embalse.
Por lo tanto, en esta Tesis Doctoral se concluye que, la eficacia del lavado de sedimentos aumenta a mayor disponibilidad del sedimento y a mayor pendiente inicial del fondo. En la eficacia del lavado de sedimentos, el tamaño del sedimento tuvo una incidencia despreciable. Sin embargo, aunque la eficacia al final sea la misma, la evolución de los solidogramas y curvas de concentración de sedimentos, son diferentes para la arena más fina, debido al efecto de la cohesión aparente.
La modelación numérica del lavado de sedimentos resulta en un proceso complejo, con interrelación de las variables hidrodinámicas y del transporte de sedimentos. Las variables hidrodinámicas se pueden predecir con cierta precisión en los modelos numéricos empleados. Sin embargo, para el transporte de sedimentos es indispensable datos de campo o experimentales para su calibración y validación.
http://repositorio.bib.upct.es/dspace/
- English
Sediment flushing in reservoirs is one of the methods adopted in dams to evacuate sediments and recover water storage volume. In order for this technique to be successful, it is necessary to analyze the parameters present during the release of the water-sediment flow, how they are related and how they affect the flushing efficiency. Therefore, in this research, a systematic analysis of the erosion capacity of a volume of water for sediment flushing in reservoirs has been carried out, considering: water depth, sediment stratum thickness, bottom slope, reservoir length and sediment type (three sands). An analysis of the capability of existing two- and three-dimensional (2D and 3D) numerical models for the simulation of reservoir flushing has also been carried out. The methodology consists of two stages: experimental model in the laboratory, and 2D and 3D numerical models. The experimental model has been developed in the hydrodynamic channel of the Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT), in which the variables involved in sediment flushing were analyzed and their degree of incidence and interaction was determined; in total, two water outflow tests and ninety sediment flushing tests were carried out. The evolution of the water and sediment profiles was recorded by means of sensors located along the channel and two video cameras located in the sediment stratum area. The image and data processing was carried out with the MATLAB program (license acquired by the Escuela Politécnica Nacional, EPN). The numerical models selected to represent sediment flushing in reservoirs were: Iber (2D) for free use and FLOW-3D for commercial use (license acquired by the UPCT). In the application of the numerical models, the calibration and validation stages have been considered, with data from experimental tests of water release and sediment flushing. In this study, a general equation of the efficiency of sediment flushing in reservoirs (volume of sediment evacuated with respect to volume of water released) has been obtained, as a function of: water availability, sediment accumulation, type of sediment and geometric characteristics of the reservoir. Therefore, this Doctoral Thesis concludes that the effectiveness of sediment flushing increases with greater sediment availability and greater initial slope of the bottom. Sediment size had a negligible impact on the efficiency of sediment flushing. However, although the final efficiency is the same, the evolution of the solid-graphs and sediment concentration curves are different for finer sand, due to the effect of apparent cohesion. Numerical modeling of sediment flushing results in a complex process, with interrelation of hydrodynamic and sediment transport variables. The hydrodynamic variables can be predicted with some accuracy in the numerical models used. However, for sediment transport, field or experimental data are indispensable for their calibration and validation.
- español
