Gestión de avenidas y normas para el accionamiento

COMITÉ NACIONAL ESPAÑOL DE GRANDES PRESAS
GESTIÓN DE AVENIDAS Y NORMAS PARA EL
ACCIONAMIENTO DE COMPUERTAS EN LA PRESA DE
JUAN BENET
Antonio J. Rodríguez de la Torre. C.H. del Duero
Luis Arteaga Castro. C.H. del Duero
José Ramón Pena Lasso. Euroestudios, s.a.
Javier Peraita de Grado. Euroestudios, s.a.
RESUMEN: La presa de Juan Benet, sobre el río Porma en Boñar, León, es de
gravedad, con una altura de 77,6 m y un volumen de 317,8 hm³. Su cuenca
propia abarca 253 km² y la punta de avenida de 1000 años es de 993 m³/s. Su
aliviadero tiene tres vanos cerrados por compuertas Taintor de 15,0 x 3,5 m con
capacidad de desagüe para 600 m³/s.
En las presas con aliviaderos cerrados por compuertas, es fundamental el
manejo que se hace de las mismas, ya que permite controlar el nivel de embalse
alcanzado y los caudales vertidos. Así, se puede lograr el triple objetivo de garantizar la seguridad de la presa, minimizar los daños aguas abajo y optimizar
el volumen embalsado al final de la avenida.
Las Normas de Explotación en situación Extraordinaria de la presa de Juan
Benet incorporan una aplicación informática específicamente desarrollada para
la gestión de las avenidas en la presa y que permite, independientemente de
que dicha gestión se pueda llevar a cabo de una forma manual, mediante estadillos y ábacos elaborados al caso, una gestión automática de las mismas, determinando los caudales a verter en cada momento y la apertura necesaria de
compuertas.
1. INTRODUCCIÓN
La presa de Juan Benet cierra el embalse del Porma, sobre el río del mismo
nombre, mediante una estructura de gravedad de hormigón de 77,6 m de altura. El volumen del embalse del Porma es de 317,8 hm³ y su cuenca vertiente
de 253 km², con un caudal punta para la avenida de proyecto (1000 años de
periodo de recurrencia) de 993 m³/s. La evacuación de avenidas se realiza
mediante un aliviadero central de 3 vanos, cerrados por compuertas de tipo
Taintor de 15,0 x 3,5 m, con una capacidad de desagüe de 600 m³/s.
En Junio del año 2000 finalizó la redacción de las Normas de explotación
en situaciones extraordinarias de la presa de Juan Benet, que incluían una
serie de trabajos adicionales como la actualización del Documento XYZT de la
presa.
Durante las “situaciones extraordinarias” –fundamentalmente en avenida-,
es necesario contar con unas reglas de actuación que fijen claramente el modo
de operar los equipos hidromecánicos –compuertas y válvulas-, de forma que
sea posible actuar sin titubeos cuando se presenten las crecidas. Hasta hoy
estas reglas se han definido, fundamentalmente, a partir del conocimiento que
tienen los Ingenieros Encargados, de la hidrología de las avenidas históricas –
génesis, magnitudes, etc-, del comportamiento de las presas y sus sistema
hidráulico durante las mismas y los daños ocurridos en el tramo del río de
aguas abajo.
Evidentemente, los desembalses en casos de avenida serán función de la situación del cauce aguas abajo de las presas y de los posibles daños a que
pueda darse lugar. En función de estos condicionantes y a partir del estudio
de la laminación de hidrogramas de avenidas, se estará en condiciones de determinar los resguardos necesarios para que los posibles desembalses no infrinjan daños, o en el supuesto de que así fuera, estos fueran conocidos y estuvieran previstos.
2. ESTUDIO DE LAMINACIÓN Y DEFINICIÓN DE RESGUARDOS
2.1. OBJETIVOS Y PARÁMETROS BÁSICOS
El control de avenidas en los embalses tiene dos objetivos primarios, el garantizar la seguridad de la obra, impidiendo la superación del máximo nivel de
embalse para evitar desbordamientos en coronación y la posible destrucción
de la presa, que es el objetivo prioritario, puesto que la onda de rotura de una
presa puede tener efectos catastróficos para las zonas de aguas abajo, y el minimizar los daños por inundación aguas abajo de la presa, laminando en lo
posible los caudales de avenida que llegan a la presa, y en cualquier caso no
desaguando un caudal mayor del que ha entrado hasta el momento.
Estos objetivos se alcanzan mediante la definición de los volúmenes de resguardo estacionales que limitan los valores máximos del nivel de embalse y la
fijación de normas de operación de los órganos de desagüe. Dado que a mayor
resguardo menor capacidad de regulación, se produce un conflicto entre la
disminución de daños por inundación y el aumento de pérdidas por insufi-
ciencia de recursos para atender a las demandas. La solución adoptada debe
buscar un equilibrio entre ambos problemas, una vez garantizada la seguridad
de la presa.
Los estudios de la capacidad de laminación de una presa tienen por objeto
el análisis de diversas alternativas de explotación, diferenciadas por la magnitud del resguardo necesario en cada época del año y los criterios de maniobra
de los órganos de desagüe. Sus resultados constituyen la base para la selección de una solución que minimice los daños sin afectar significativamente a
la capacidad de regulación.
Los parámetros que debe definir el estudio de laminación, como paso previo
a la redacción de las normas de explotación, son esencialmente el resguardo a
respetar en el embalse en cada época del año – equivalente a la cota máxima
de agua (nivel máximo normal) en la presa cuando llega la avenida – y el caudal máximo que puede verter la presa sin producir daños. En la presa de Juan
Benet el nivel de agua máximo normal está definido por la cota superior de las
compuertas (1095,6). Por otra parte, puede tener un valor inferir a dicha cota
en caso de que fuera necesario un resguardo mayor para reducir el caudal del
vertido.
El resguardo es la decisión con mayor influencia sobre los caudales salientes por el aliviadero y se relaciona con el volumen de embalse reservado en
cada época del año para laminación de avenidas.
En cuanto al caudal que puede circular sin producir daños a lo largo del
tramo situado aguas abajo de la presa, en lo sucesivo llamado Caudal umbral
de daños, puede considerarse equivalente al Caudal de Alerta, cuya superación pone en marcha la Situación de Avenida y los mecanismos de protección
civil. Se considera como caudal umbral de daños aquel a partir del cual se
producen daños en usos y aprovechamientos ubicados dentro aun del dominio
público hidráulico. En principio, se ha adoptado un valor de 65 m3/s, por
consideraciones hidráulicas, y apoyado en la experiencia adquirida durante la
explotación de la presa.
Por lo que se refiere a los datos de partida conocidos, en la presa de Juan
Benet se ha planteado la situación más pesimista considerando que sólo se
cuenta con la información disponible en la presa – el nivel de embalse y su
velocidad de subida -, a través del cual puede estimarse el caudal medio entrante a intervalos de cierto tiempo, generalmente una hora.
El Reglamento Técnico sobre Seguridad de Presas y Embalses de 12 de
Marzo de 1996 en su Sección Segunda, artículos 10 a 15, establece la normativa en relación con avenidas y desagües. En particular, se definen los niveles
y resguardos que hay que determinar.
Se ha adoptado como avenida de proyecto la correspondiente al período de
retorno de 1.000 años, y como Avenida Extrema, se ha considerado la de
5.000 años de período de retorno.
Se han realizado diversos análisis encaminados a simular y estudiar el
comportamiento de la presa de Juan Benet en situaciones de avenida, con el
fin de analizar distintas posibilidades y establecer las normas de explotación
correspondientes. Las conclusiones buscadas en el estudio son de dos tipos, el
establecimiento de los niveles y resguardos característicos según especifica el
Reglamento Técnico sobre Seguridad de Presas y Embalses de 1996, y la recopilación y elaboración de la información necesaria en forma de tablas y gráficos para su incorporación a las Normas de Explotación de la presa en forma
de manual de operaciones en avenidas.
Estos estudios han permitido estimar los niveles de embalse y caudales de
avenida que delimitan las zonas de explotación en las cuales se realizan las
operaciones de control de avenidas. Como consecuencia, se ha establecido el
Nivel Máximo Normal (NMN) para las cuatro estaciones del año, que delimita el
resguardo mínimo necesario para garantizar la seguridad de la presa frente a
las avenidas de Proyecto y Extrema.
El estudio de laminación culmina con una propuesta de norma de explotación en avenidas, que con apoyo en un gráfico caudal entrante - nivel de embalse (o volumen) aconseje a los encargados de la explotación del tipo de maniobra que deben realizar.
2.2. METODOLOGÍA DE CÁLCULO
Los estudios de capacidad de laminación de un embalse se apoyan en métodos que realizan la simulación de la función caudal entrante-caudal saliente-volumen de embalse para un estado inicial y un hidrograma de avenida dado. Los métodos más sencillos se limitan a manejar la capacidad de vertido
libre del aliviadero con las compuertas totalmente abiertas, sin embargo, es
conveniente usar métodos capaces de simular tanto la maniobra de las compuertas como diversos criterios de decisión de caudal vertido, que permitan
analizar con garantía la explotación real de una presa.
Para el estudio de Juan Benet se ha optado por utilizar un programa de ordenador, que se apoya en la teoría propuesta por el Cuerpo de Ingenieros del
Ejército de EE.UU en su norma EM 1110-2-3600. Este programa realiza tres
operaciones:
1.- Calcula la capacidad máxima de desagüe de la presa para distintas cotas de agua en el embalse, considerando aliviaderos y desagües de fondo y teniendo en cuenta el posible anegamiento en la salida.
2.- Realiza la laminación de un hidrograma de avenida dado para la estrategia de explotación de compuertas seleccionada y un estado inicial de
embalse. Produce como resultado los caudales salientes, el volumen
embalsado y la cota de agua.
3.- Elabora un ábaco que relaciona el caudal entrante y el nivel de embalse
con el caudal a evacuar para la estrategia anterior.
La decisión de desaguar uno u otro caudal tiene en cuenta exclusivamente
las variables que se conocen en tiempo real, es decir el caudal medio entrante
en el intervalo de cálculo anterior (generalmente 1 hora) y la cota de agua en el
embalse. La operación de los órganos de desagüe se realiza con unas normas
que se resumen en los siguientes puntos:
•
Los órganos de desagüe, compuertas y/o desagües de fondo, no pueden
soltar más agua de la que circularía si no existiera la presa.
•
La apertura de compuertas debe comenzar con suficiente anticipación
para permitir el vertido de un caudal progresivamente mayor que garantice que no se supera el nivel máximo de la avenida de proyecto en el
embalse.
•
Una vez que se detecta el descenso de los caudales entrantes, se mantiene la apertura de compuertas para bajar cuanto antes a la cota de
embalse normal sin superar en ningún caso el caudal natural, de forma
que se queda en situación de controlar una posible avenida posterior.
Como consecuencia de estas normas generales, el programa aplica una serie de estrategias diferentes de vertido en función de la situación conocida por
el operador de la presa. En cualquier caso, la estrategia central es la que tiene
lugar en la zona de maniobra de compuertas, que se define como la zona comprendida entre la cota de embalse normal y la de embalse máximo en la que
las compuertas se manejan con la idea de evacuar un caudal inferior al que
saldría en régimen de vertido libre (apertura total de compuertas), a costa de
aumentar el nivel en el embalse. La llamada curva de maniobra de compuertas, define la cota máxima de embalse que se desea alcanzar para cada caudal
de salida, y representa el riesgo máximo que se asume a costa de controlar el
caudal de salida mediante las compuertas.
2.3. LAMINACIÓN DE AVENIDAS
Se ha analizado la laminación de avenidas en la presa de Juan Benet considerando que el operador sólo conoce la cota embalsada y la velocidad de subida del embalse desde la última lectura de nivel, que se supone realizada una
hora antes, para dar tiempo a ejecutar las maniobras necesarias. A través de
estos datos puede estimar el caudal medio de entrada en la última hora sumando el caudal de salida por los órganos de desagüe y el caudal almacenado
en el embalse. El programa realiza la simulación decidiendo en cada instante
de cálculo en función de estos dos datos y aplicando los criterios de explotación expresados.
En primer lugar se estudia la laminación de las avenidas de proyecto y extrema, correspondientes a períodos de retorno de 1.000 y 5.000 años, determinando el resguardo mínimo de seguridad que ha de mantenerse para cumplir lo especificado en el Reglamento y en la Instrucción de Grandes Presas de
1967.
De acuerdo con lo expuesto, el Nivel Máximo Normal (NMN) se determinará
de manera que sumándole la sobreelevación de la avenida de proyecto (se obtiene el NAP) y el resguardo de ola, no se supere la cota de coronación de la
presa (1.097,6).
Asimismo, el nivel correspondiente a la avenida extrema (NAE) podrá llegar
como máximo a la cota de coronación, ya que se permiten vertidos accidentales por oleaje en esta situación.
Por otra parte, la Instrucción de 1967 fija el Nivel Máximo Normal como el
nivel para el cual una apertura brusca e incontrolada de las compuertas produce un caudal punta equivalente, como máximo, al de la avenida de 50 años
de período de retorno (632 m3/s).
El valor de altura de ola es de 1,75 m, y por lo tanto el Nivel para la Avenida de Proyecto (NAP) habrá de estar como máximo a la cota 1.097,6 – 1,75 =
1.095,85 inferior al nivel máximo de avenida que se considera en la situación
actual (1.096,6). En función de este nivel se determina, tal y como se expone
más adelante el Nivel Máximo Normal de forma que se pueda laminar la avenida de 1.000 años sin superar el NAP especificado.
De acuerdo a la Instrucción de 1967 el caudal desaguado para el embalse
situado al NMN ha de ser inferior al de la avenida de 50 años, y por tanto el
NMN habrá de estar por debajo de la cota 1.095,64. En la explotación actual el
NMN se sitúa a la cota superior de compuertas (1.095,6) con un volumen embalsado de 317,8 Hm3, cumpliéndose por tanto la Instrucción de 1967.
Una vez hechas estas consideraciones, se ha procedido a estudiar la laminación de las avenidas de 1.000 y 5.000 años de período de retorno, mediante
el empleo del programa de cálculo mencionado, concluyéndose que manteniendo el NMN a la cota 1.094, se reduce el embalse útil para explotación en
19,5 Hm3 (un 6 %) respecto a la situación actual y se cumplen las consideraciones impuestas por el Reglamento de 1996 e Instrucción de 1967, por lo que
dicho NMN fijará el resguardo mínimo de seguridad necesario en el presa. En
estas condiciones, para la avenida de 1.000 años de período de recurrencia se
desaguará un caudal máximo de 125 m3/s superior al caudal umbral de daños (caudal de alerta, fijado en 65 m3/s) pero inferior al caudal que define el
Dominio Público Hidráulico (caudal de alarma, fijado en 200 m3/s).
El riesgo de presentación de avenidas catastróficas es distinto según la
época del año y, por tanto, no es necesario mantener un resguardo de seguridad constante a lo largo de todo el mismo. Una vez determinado el resguardo
de seguridad para la avenida máxima con probabilidad de presentación a lo
largo de todo el año, definido por la avenida de 1.000 años de período de retorno, se analizan con la metodología expuesta los distintos resguardos estacionales que hay que mantener para dicho periodo de retorno, que se reflejan
en el gráfico adjunto.
3. NORMA DE EXPLOTACIÓN DE COMPUERTAS
Una vez comprobada la validez de la estrategia de laminación de avenidas
considerada y el correcto funcionamiento de la presa en estas situaciones,
cumpliendo el Reglamento Técnico, se ha obtenido la norma de explotación de
la presa en avenidas a utilizar de una manera operativa para la gestión de las
mismas, basada en un ábaco que indica el caudal que debe verterse para cada
nivel de embalse y velocidad de subida del mismo, o caudal entrante, en el
último período de medida, que constituye el núcleo de la norma de explotación
de la presa en avenidas, acompañado de otros criterios relativos al momento
en que debe comenzar a soltarse agua y a los vertidos a efectuar cuando la
avenida y/o el embalse están bajando.
La definición del caudal de salida que debe verterse para cumplir las condiciones exigidas para la laminación tiene que hacerse con la información de
que dispone el operador en el momento de la decisión, que en caso de no disponer de datos de caudal circulante aguas arriba o abajo de la presa, se limita
a la cota del embalse en el momento de la lectura, a través de la cual estima la
velocidad de subida o el caudal medio de entrada durante el último período.
Mediante el citado ábaco, obtenido por el programa de laminación, se determina el caudal a verter en cada momento de la avenida, en base a los datos
conocidos.
Con las estrategias especificadas queda totalmente definida la actuación
del operador de la presa ante la presencia de una avenida, puesto que conoce
el resguardo que tiene que respetar en la época correspondiente y mide sistemáticamente la variación de embalse y caudal de entrada que le ayudan a definir inequívocamente el caudal de salida. El régimen de explotación queda por
tanto definido con ábacos del tipo mostrado en el gráfico adjunto.
Asimismo, se ha desarrollado una aplicación informática que permite llevar
a cabo todas estas operaciones y determinar el caudal a verter en cada momento de forma automática, que se expone en el siguiente apartado.
4. APLICACIÓN INFORMÁTICA PARA LA GESTIÓN DE AVENIDAS
Independientemente de que la gestión de avenidas se pueda llevar a cabo
de una forma manual, utilizando un estadillo y en base a los ábacos anteriormente citados, se ha desarrollado una aplicación informática que permita la
gestión de las avenidas de forma automática, determinando los caudales a
verter en cada momento y la apertura de compuertas necesaria en base a las
estrategias prefijadas de explotación de avenidas.
En la aplicación solamente hay que introducir la cota de embalse medida
en cada momento, y ésta calcula el caudal que ha entrado en el intervalo de
cálculo anterior y el caudal a soltar en función de estas variables.
Por lo tanto la aplicación de cálculo desarrollada realiza básicamente las siguientes operaciones:
1) Para cada intervalo de cálculo (normalmente 1 hora) se introduce la cota de embalse leída y el programa calcula el caudal entrante en el embalse y, entrando en la tabla de norma de explotación, el caudal que
hay que soltar. Así mismo, determina la apertura necesaria de compuertas entrando en la tabla de desagüe de las mismas. Por lo tanto, en
función del caudal entrante y nivel de embalse, se aplica la norma de
explotación de compuertas adoptada, y se deduce el caudal a soltar.
2) La hoja de cálculo permite introducir así mismo otros 2 datos importantes, el nivel máximo normal considerado en esa estación del año para el
embalse y el caudal de daños aguas abajo. Estas 2 variables por lo tanto, se pueden modificar en cualquier momento por el usuario, y se utilizan de la forma expuesta en el punto siguiente.
3) Además de la regla de operación (caudal a soltar) que se deduce en cada
momento de la norma de explotación de compuertas, la hoja de cálculo
aplica otras estrategias para ciertos momentos de la avenida:
•
Cuando el embalse se encuentra por encima de NMN, puede
que el caudal a soltar según la norma de explotación de compuertas sea nulo o inferior al caudal de daños (caudales de entrada pequeños) y en este caso la estrategia de explotación es
soltar el caudal entrante, con el límite del caudal de daños fijado, hasta que el nivel de embalse descienda por debajo de
NMN, momento en que se interrumpe el vertido, o bien la norma de explotación de compuertas indique el vertido de caudales
superiores al de daños (caso de que el caudal de entrada sea
importante en ese momento).
•
En el caso de que durante la laminación de una avenida se esté
en la fase de descenso del hidrograma, encontrándose el embalse por encima del NMN, se mantendrá la última apertura de
compuerta, soltando los caudales que correspondan a ésta
apertura (aunque sean superiores a los que indicaría la norma),
hasta que el embalse desciende por debajo del NMN, con objeto
de recuperar cuanto antes el resguardo en el embalse.
Así mismo, la aplicación genera una serie de gráficos con los hidrogramas
de entrada y de salida y la apertura de compuertas. A continuación se presenta un ejemplo de resultados de la aplicación.
PRESA DE JUAN BENET - REGISTRO Y GESTIÓN DE AVENIDAS
FECHA (dd/mm/aa)
N.M.N. (m)
12-feb-2002
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0,00
0,00
0,00
0,00
98,85
527,56
898,76
1.010,86
961,37
888,74
775,44
645,13
511,81
410,90
308,52
274,87
205,89
171,34
136,56
101,59
101,40
101,21
66,09
65,74
30,52
30,02
12,13
11,56
10,99
10,42
9,84
9,26
8,67
8,08
4,04
4,04
4,04
4,04
4,04
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
65,00
67,58
71,95
81,83
104,41
123,00
127,12
130,28
132,54
134,16
135,17
135,97
136,36
136,56
136,56
136,36
136,17
135,97
135,57
135,17
134,57
133,96
133,25
132,54
131,83
131,10
130,38
129,65
128,92
128,18
127,42
127,42
127,42
127,42
127,42
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
0
0
0
0
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,39
0,39
0,39
0,42
0,52
0,58
0,58
0,58
0,58
0,58
0,58
0,58
0,58
0,58
0,58
0,58
0,58
0,58
0,58
0,58
0,58
0,58
0,58
0,58
0,58
0,58
0,58
0,58
0,58
0,58
0,58
0,58
0,58
0,58
0,58
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,54
0,54
0,54
0,57
0,69
0,78
0,78
0,78
0,78
0,78
0,78
0,78
0,78
0,78
0,78
0,78
0,78
0,78
0,78
0,78
0,78
0,78
0,78
0,78
0,78
0,78
0,78
0,78
0,78
0,78
0,78
0,78
0,78
0,78
0,78
PRESA DE JUAN BENET - REGISTRO Y GESTIÓN DE AVENIDAS
CAUDALES DE AVENIDA Y LAMINADOS Y COTAS DE EMBALSE
1.400
1.098
1.300
1.200
1.097
3
1.000
1.096
900
800
1.095
700
600
1.094
500
400
1.093
300
200
1.092
100
0
1.091
0
5
10
15
20
25
30
TIEMPOS AL ORIGEN (hr)
CAUDAL QUE ENTRÓ
CAUDAL A SOLTAR
COTA DE EMBALSE
35
40
45
COTAS DE EMBALSE (m)
CAUDALES DE ENTRADA Y SALIDA (m /s)
1.100
PRESA DE JUAN BENET - REGISTRO Y GESTIÓN DE AVENIDAS
1.098
3,25
1.097
3,00
1.096
2,75
1.095
2,50
1.094
2,25
1.093
2,00
1.092
1,75
1.091
1,50
1.090
1,25
1.089
1,00
1.088
0,75
1.087
0,50
1.086
0,25
1.085
0,00
1.084
0
5
10
15
20
25
30
35
TIEMPOS AL ORIGEN (hr)
APERTURA VERTICAL
APERTURA SEGÚN ESCALA
COTA DE EMBALSE
40
45
COTAS DE EMBALSE (m)
APERTURAS DE COMPUERTAS (m)
APERTURAS DE COMPUERTAS Y COTAS DE EMBALSE
3,50