Piano motako gainezkabideak

PK gainezkabide batean zehar doan fluxu baten simulazioa

Piano isurgailua presetan erabiltzen den egitura hidraulikoari deitzen zaio, ohiko isurgailuek baina emari handiagoa isurtzeko gai dena zabalera gutxiagoan. Horretarako, isurgailuaren luzera handitzen da. Labirinto isurgailuen aldaera edo garapen bat da, baina labirinto-isurgailuak ez bezala isurgailuaren tolesturan aldapak eta jauziak tartekatzen ditu. ^[1]. Aldaera horrek sortzen duen egituraren itxurak ematen dio izena, piano baten teklen antza baitu.

Fluxu libreko gainezkabideak itxiak baino sinpleagoak eta seguruagoak dira, baina forma tradizionalen fluxu espezifikoak isurketa-sakonera handiak eskatzen ditu eta, beraz, biltegiratze-galera handiak (100 x 109m³ mundu osoan) ditu. Fluxu askeko gainezkabide berri batek (piano motako gainezkabidea) fluxu espezifikoa lau aldiz edo gehiago handitu dezake, presa berri gehienen kostua nabarmen murriztu lezake eta, lehendik dauden presa askoren segurtasuna, biltegiratzea eta uholde-kontrolaren eraginkortasuna handitu prezio nahiko baxuekin.

Fluxu libreko gainezkabide gehienek forma estandarizatua dute (Creager presa), eta konkretuz egindako grabitate presa egituren gainean jartzen dira.

Bere eragozpena fluxu espezifiko baxua da, hau da, (m3/s/m-tan adierazita) 2,2 h ^1.5 (h nappearen sakonera metrotan da). Ondorioz, nappearen gehieneko sakonerari dagokion biltegiratze biziaren galera ehuneko 20-tik 50-era bitartekoa izan daiteke, depositu itxi baten aldean. Baita uhateekin baino gainezkabide luzeagoak erabiltzen badira ere.

Beraz, oso onuragarria da fluxu espezifikoa ahalik eta gehien handitzea. Ondorioz, dozenaka gainezkabide diseinatu dira, hondo laua dutenak eta labirinto trapezoidaleko horma bertikala dutenak, gainezkabidearen luzera baino askoz luzeagoa dena (sarritan lau aldiz). Oro har, Creager presa baten fluxu espezifikoa bikoizten dute.

Hormigoi armatuzko 1 edo 2 m³ behar dituzte emaria 1 m³/s-tan handitzeko, eta batez ere 10 m³/s/m tarteko emari espezifikoetarako erabili dira. Fluxu handietarako duen kostuaz gain, konponbide laberintiko tradizionalaren (horma bertikalak eta hondo laua) eragozpen nagusia konkretuzko grabitate presen ohiko sekzioen goialdean ezin direla erabili da, eta, gainera, eremu funtsean laua behar dute. Beraz, presa gutxi batzuetarako baino ezin da erabili. Hain zuzen, mila presa handietatik presa bakar baterako erabili ohi da.

Piano motako gainezkabideak jario libreko deskarga-gainezkabideak dira. Bere geometriak ebakuazio-ahalmen handiagoa ahalbidetzen du. Gainezkabide mota honi buruz egindako azterlanek bi helburu nagusi dituzte: deskarga-gainezkabide solido eta merkeak eraikitzea eta egitura zaharrenak indartzea. Horrek aukera ematen die ingeniariei hausten diren presen istripuak saihestea edo uholde bat dagoenean ura behar bezala eta modu kontrolatuan deskargatzeko gaitasunik ez duten presen istripuak saihestea.

Deskarga-gainezkabide mota honek berebiziko abantailak ditu. Lehenik eta behin, erraz instalatzen da han dauden egituretan, deskarga labirintikoko gainezkabide klasikoetan ez bezala. Gainera, goranzko eta beheranzko maldak txandakatzen dituen forma duenez, bi fluxu desberdin sor daitezke, ura malda batera edo bestera iristen den menpe. Urak, beheranzko maldan isurtzen denean, presaren hondo aldera doan zurrusta bat eratzen du, eta, goranzko malda batek lehen aldiz hartzen duenean, azpian dagoen zurrustarantz doan ur-lamina bat osatzen du. Fluxuaren banaketa honek, beraz, presa klasikoak baino modu eraginkorragoan moteltzen du erreka.

Piano motako gainezkabideen diseinua eta ezaugarriak

Piano motako gainezkabidea labirinto motako gainezkabideen eredu berezi bat da, inklinatuta dauden gainazal batzuen alternantziaz osatuta dagoena. Bata uraren fluxuaren norabidean eraikita, eta bestea kontrako norabidean. Malda horiek banatuta daude horma bertikal batengatik, gainezkabide osoa zeharkatzen duena honen geometria jarraituz. Goitik ikusita, zabalera bereko laukizuzen sail bat da. Egitura hau horma txikiago batek errematatzen du.

Piano motako gainezkabidea, orokorrean, presa baten irteeran erabiltzen da. Asmoa, uholde garaian, presa edo ibai batean dagoen ur kantitate handi batek sortutako presioari aurre egiteko bezain sendoa den eraikuntza bat edukitzea da. Gainera, urak gainezka egitean hauek ebakuatzeko ahalmena izan behar du, eta garestiegia ez izateko bezain sinplea izan behar da.

Hydrocoop-ek gainezkabide mota hau hainbat urtez aztertu egin du, 50 proba hidrauliko baino gehiagorekin. Azterlan honen helburua hurrengo ezaugarriak dituen egitura bat da:

Dauden grabitatezko presen sekzioetan edo presa berrietan jar daiteke;
100 m³/s/m-rainoko emari espezifikoak baimenduko ditu;
Creager presa baten fluxua gutxienez lau aldiz biderkatu dezake; eta
Egitura aldetik sinplea eta herrialde guztietako tokiko baliabideekin eraikitzeko erraza da.

Modeloaren atariko probak 1999an egin ziren Frantziako LNH laborategian (Electricité de Franceren jabetzakoa) eta 2002an Indiako Roorke Unibertsitatean eta Aljeriako Biskra Unibertsitatean. Jarraian, honako hauetan oinarritzen diren forma batzuk hautatu ziren:

Pianoaren teklen formen antzeko diseinu angeluzuzena, "Piano Keys weir" izena azaltzen duena (beraz, "PK weir");
Ibaian gora eta behera dagoen aldearen hondo inklinatua (fluxua sartzen den zatia sarrera gisa ezagutzen da, eta beste zatia irteera); eta
Elementuen zabalera murriztua.

Proba zehatz asko 2003an egin ziren Biskrako Unibertsitatean hautatutako forma batzuetan eta proba batzuk LNHn, oso kanal zabala erabiliz. Proba zehatz horiek fluxu-gehikuntzak optimizatzeko oinarria eman zuten, elementuen luzeraren, sakoneraren, zabaleraren eta formaren arteko erlazioen arabera, eta, bereziki, N erlazioaren arabera (hormen luzera/gainezkabidearen luzera). Hainbat hegalen inpaktua ere aztertu zen. Egiturazko diseinuari eta eraikuntza-instalazioei arreta berezia eskaini zien, irtenbide erakargarrienak hautatzeko.

Egun, luzetarako sekzio oso sinpleak hobetsi dira (litekeena da forma horiek fintzeak errentagarritasuna zertxobait hobetzea). Orain ikerketa gehiago egiten ari dira Txinan (IWHR Beijingen) eta Indian (Roorkeko Unibertsitatea), bi herrialde horietan PK gainezkabideak erabiltzeko aukera handiak baitaude. Datu hidraulikoak eta egiturazkoak jarraian ematen dira bi soluziorako:

A soluzioa, goranzko eta beheranzko antzeko hegalekin: horrek hormigoizko elementu aurrefabrikatuak erabiltzea errazten du, 20 m³/s/m arteko emari espezifikoetarako erabil daitezkeenak. Horregatik, nahiago izan daiteke, dauden gainezkabide asko hobetzeko.
B soluzioa, ibaian gorako hegal bakarrarekin: Aurrezkiak A konponbiderako baino %10 handiagoak dira gutxi gorabehera, eta egiturazko kargak txikiagoak dira fluxu espezifiko handietarako. Beraz, oso aukera erakargarria izan liteke etorkizuneko presa handi askorentzat.

Litekeena da printzipio berberetan oinarritutako beste diseinu batzuk efizienteagoak izatea, baina kostuen aurrezki-tartea ez litzateke oso desberdina izango.

Uholdeen aurreko gainezkabidea

Herrialde askotan, ezohiko uholdeak oso handiak izan daitezke, eta eskatzen den segurtasun-mailak gainezkabide berrien edukiera eta, beraz, kostua handitzen ditu, presaren kostu osoaren zati handi bat izan daitezkeenak. Ondo egokitutako arriskuen analisiak eta gainezkabideetarako irtenbide berriek nabarmen aurrezteko aukera eman dezakete.

1970. hamarkadan, presa gehienak diseinuzko uholde baterako diseinatu ziren, 10^-3 urteko probabilitatearekin. Urtegiaren mailatik gora, metro batzuetako segurtasun-marjina mantendu zen (frankobarkua) lubetaren gailurretik behera, baina gainhegan egiteko (eta huts egiteko) benetako probabilitatea ez zen zehatz-mehatz aztertu.

Orain ohikoa da, eta ICOLD Bulletins-ek aholkatuta, urteko 'txeke-uholde' oso txikia (10^-5, esaterako) edo «balizko gehieneko uholde» teorikoa kontuan hartzea, eta kontrol-uholde hori (diseinuko uholdearen bikoitza, gutxi gorabehera) presa huts egin gabe isuri daitekeela bermatzea. Oro har, onartzen da dagokion urtegiaren mailak gorputik gertu egon daitekeela. Beraz, frankobarkua nabarmen murrizten da txekeak urpean geratzeko. Gainezkabideetarako oinarrizko bi soluzio erabili dira:

Gainezkabide itxiak:

Gainezkabide itxiak 1000 m³/s-tik gorako edukieretarako gustukoenak dira, ate erradialak dituztenak ohikoenak direlarik. Urtegia diseinuko uholdearen mailan operatu daiteke, baina uhateen kostua handia da eta kontroleko uholdeari egokituta dago, hau da, urtean 10^-2 probabilitateko uholdea baino hiru aldiz handiagoa, gutxi gorabehera. Ondorioz, mende batean zehar, gainezkabidearen edukieraren bi heren ziurrenik ez dira inoiz erabiliko; hala ere, soluzio hori ez da erabat segurua, uhateek gailu operatiboen (elikadura-iturria barne) mantentze eta eragiketa arduratsuak eskatzen dituztelako.
Eurite gogorretan gertatzen diren gorabeherak ez dira ezohikoak, eta uhateen buxadurak presa handi batzuen faila eragin du: badirudi arrisku hori dela presa itxiekin lotutako arriskurik handiena, eta arazo mekaniko edo elektrikoek, sarbideak, operadore faltak edo nahita eragindako kalteek interferentziak eragin dezakete. Uhateak erabat buxatzen badira, presa berriak diseinatu behar dira, gutxienez urteko uholdea uhateen gainetik edo larrialdietako gainezkabide baten bidez deskargatzeko. Hau lortzen da uhatearen gaineko fluxua (1/3) ^1.5 izanik, hau da, ate guztiak irekita duten fluxuaren ehuneko 20 inguru.
Ateen kostu operatiboa saihesteko, mundu osoan ate automatikoak dituzten hainbat irtenbide erabili dira, baina horien fidagarritasuna zalantzagarria da, bi arrisku baitaude: beharrezkoa ez den irekiera edo erabateko interferentzia. Ondorioz, presa txikietarako edo isurtzeko guztizko ahalmenaren zati baterako bakarrik erabili behar dira.

Fluxu libreko gainezkabideak:

Uhateekin lotutako kostuak edo arriskuak saihesteko, munduko presa handien bi heren eta, bereziki, 1.000 m³/s baino gutxiagoko deskarga-ahalmena duten gainezkabide gehienak fluxu libreko gainezkabideak dira. Funtzionamendua erraza eta segurua da, baina Creager forma bezalako ohiko formen eragozpena emari espezifiko nahiko baxua da: gainezkabidearen luzeraren metro bakoitzeko emaria (m³/s/m-tan) gutxi gorabehera 2.2 h^1.5 da, h nappearen sakonera metrotan delarik. Beraz, 1000m³/s-ko emariak 3 m-ko sakonerako nappearekin, 90 m-ko luzerako gainezkabidea beharko du. Lubetazko presentzako gainezkabide luze baten kostuaz gain, nappearen gehieneko sakonerak urtegiaren sakontasun erabilgarria murrizten du; eta, adibidez, 30 metroko urtegi baten sakonera 3 m-tan murriztea, % 30 inguru murrizten du zuzeneko biltegiratzea (edo presaren kostua % 20 handitzen du). Ekoizpen hidroelektrikoaren murrizketa ere funtsezkoa izan daiteke. PK gainezkabidearen soluzioa erabiltzean fluxu espezifikoa 3 edo 4 aldiz biderkatzea lortuko da, hots, hobekuntza garrantzitsua izango da.

Presa berri gehienentzat, PK gainezkabideak erabiltzen dituen irtenbide bat, gutxienez, ez da ohiko irtenbideak bezain garestia izango, eta, aldi berean, segurtasuna mantendu edo hobetuko da. Patenterik ez dagoenez, konponbide horiek erraz ezar daitezke herrialde bakoitzeko baliabideekin.

PK gainezkabideak sarriago erabiliko dira presa berrietarako, Creager gainezkabide baten fluxua lau aldiz areagotuz, eta hormigoi armatuzko 0,4 m³ beharko dira gainezkabidearen guztizko edukierako m³/s-ko. Eraikuntza kontratista nagusiak egin dezake, eta m³/s-ko kostua 100 $ ingurukoa izango litzateke garapen bidean dauden herrialdeetan (tokiko txanponetan gastatuko lirateke). Kostua 300 $-tik 500 $-ra artekoa izan daiteke herrialde industrializatuetan. Horri esker, fluxu libreko presa baten gainezkabidearen luzera lau zatitan banatu ahal izango da, edo biltegiratze-galerak %60-an murriztu. Piano motako gainezkabideen eta atedun presen konbinazioa ere oso erakargarria izan daiteke, zeren askotan, larrialdietako gainezkabideak gehitu behar zaizkie lehendik dauden gainezkabide itxiei. Larrialdietarako gainezkabide itxi garestiak gehitu beharrean, ateak trabatzeko arriskua saihesten ez dutenak, askotan oso onuragarria izan liteke frankotroboari dagokion nappearen sakonera isuriko duen PK gainezkabidea erabiltzea.

Azkenik, segurtasun-agintariek askotan gainezkabidearen edukiera handitu nahi izaten dute; presen jabeek, berriz, biltegiratzea handitu nahi izaten dute. Piano motako gainezkabideak erabil daitezke nappearen egungo sakoneraren %30-ean biltegiratzeko eta gehieneko deskarga-ahalmena %50-ean handitzeko. Biltegiratze gehigarriaren balioak segurtasun gehigarria ere ordain dezake.

Piano motako gainezkabideak mundu osoan zehar

PK motako 31 gainezkabide desberdin daude mundu osoan. Gainezkabide hauek 2006. urtetik 2019. urtera arte eraiki dira. Mota honetako lehen gainezkabidea Goulours izena dauka, 2006-an eraikia Frantzian.

Hurrengo estekan, gainezkabide hauen informazioa dago: PK GAINEZKABIDEAK

Erreferentziak

↑ Le, Anh Tuan; Hiramatsu, Ken; Nishiyama, Tatsuro. (2021). (PDF) Hydraulic comparison between piano key weir and rectangular labyrinth weir. International Journal of GEOMATE.

[1] Le, Anh Tuan; Hiramatsu, Ken; Nishiyama, Tatsuro. (2021). (PDF) Hydraulic comparison between piano key weir and rectangular labyrinth weir. International Journal of GEOMATE.

[1]