Cálculo bidimensional de un deflector de arrastre de fondo para la

IV Jornadas de Ingeniería del Agua
La precipitación y los procesos erosivos
Córdoba, 21 y 22 de Octubre 2015
Cálculo bidimensional de un deflector de arrastre de
fondo para la presa de Manduriacu, Ecuador.
Víctor Hugo Jácome Sánchez
CELEC-ENERNORTE (Ecuador)
Luis Cabrera Cazorla, Eugenio Páez Pérez
TYPSA (Madrid)
Manuel Liédana Martínez, Martín Rodríguez Pallarés
INCLAM S.A. (Madrid)
1. Introducción
Existen diferentes enfoques para el control de la sedimentación en los embalses, entre ellos,
la limpieza por lavado hidráulico con vaciado (flushing) constituye un método eficiente; esta
técnica hidráulica de extracción de sedimentos permite restaurar el volumen de
almacenamiento de forma periódica y es adecuada para los embalses ubicados en serie en
un mismo río; pues, con una acción concertada de lavado de los sedimentos es posible
minimizar los impactos ambientales sobre las zonas de aguas abajo y obtener una eficiente
remoción de sedimentos.
El proyecto hidroeléctrico de Manduriacu incluye el estudio, diseño e implementación de
una estructura de control de la sedimentación para resolver el problema originado por la
gran cantidad de sedimentos aportados por el Guayllabamba y que terminan depositándose
en el entorno de la toma de la central. La estructura de control garantiza la protección de las
turbinas de la central previniendo la acumulación de sedimentos y facilitando la auto
limpieza de los elementos del deflector.
2. Emplazamiento del proyecto hidroeléctrico Manduriacu
El Proyecto Hidroeléctrico Manduriacu, de 60MW de potencia, se encuentra ubicado en las
provincias de Pichincha e Imbabura, en la República del Ecuador, y aprovecha las aguas del
3
Río Guayllabamba, con un caudal medio anual de 168,9 m /s aprovechables para
generación. El proyecto hidroeléctrico Manduriacu está conformado básicamente por una
presa de gravedad de hormigón convencional vibrado y compactado con rodillo, dos
bocatomas planas de captación ubicadas en el cuerpo de la presa en la margen derecha del
río, dos tuberías de presión de 5 metros de diámetro y 4,5 m de longitud. La casa de
máquinas a pie de presa dispone de dos grupos turbina-generador de tipo kaplan de 30 MW
3
cada una, para un caudal total de 210 m /s y una altura neta de 33,70 m. La altura de la
D.26.
presa corresponde a 41,40 m medidos desde cauce hasta coronación (cota 495,40 msnm) y
60,40 m desde cimentación.
3
El embalse tiene una capacidad máxima de 10,2 hm y el área del espejo de aguas del
embalse alcanza las 80,9 ha. El túnel de desvío, en la margen izquierda, tiene una capacidad
3
para 1.230 m /s, correspondiente a una crecida de 50 años de periodo de retorno.
El vertedero de excesos incluye cinco vanos frontales, alojando compuertas radiales de 10 m
de longitud, siendo el caudal de diseño del vertedero el correspondiente a un periodo de
3
retorno de 5.000 años (2.780 m /s). El desagüe de fondo se ubica en el centro de la presa y
lo conforman dos conductos de sección rectangular de 8 m de ancho y 10 m de altura,
revestidos con blindajes de acero.
6
Dada la elevada cantidad de caudal solido transportado (4,59 x 10 Tn/año, con un máximo
6
de 7,58 x 10 Tn/año), y con intención de posibilitar la limpieza de sedimentos frente a la
Obra de Toma de la central, se ha diseñado un deflector de arrastre de fondo, que tiene por
objetivo conformar una zona de deposición de los sedimentos más finos (que
invariablemente se depositarán junto a la bocatoma) los cuales podrán ser removidos
durante operaciones de purga.
Figura 1.Proyecto hidroeléctrico de Manduriacu. Vista general y plano del deflector
Texto en estilo “AGUA. Texto” de la plantilla, tipo de letra Calibri, 10 pt, sin ningún tipo de
sangría, justificación completa, interlineado 1.05. Espaciado antes y después 6 pt.
3. Definición de las obras integradas en el deflector
La estructura de protección se compone de los siguientes elementos:
1.
D.26.
Muros del deflector, con una sección en terraplén con taludes a ambos lados de
0,55 H: 1 V, construido en hormigón, y de longitud 152,74 m. La cota superior se
sitúa a la cota 469,0 m. Este muro encierra un espacio en donde se sitúan las
entradas a la central, y en donde se deposita el material fino para posteriormente
arrastrarlo y así limpiarlo con una corriente de agua a su paso por el canal principal
y los cuencos de sedimentación.
2.
Orificios rectangulares situados en el muro del deflector cuya función consiste en
dar entrada al agua al recinto del deflector. Cuatro orificios de 3 m de ancho y 0,5
m de alto que aportan caudales a los cuatro canales secundarios. El nivel inferior de
vertido para estos cuatro orificios se sitúa a la cota 467,75msnm. El canal principal,
se encuentra alimentado por un orificio de 2,7 m ancho y 1 m de altura, siendo la
cota de vertido 465 msnm.
3.
Canal principal de dimensiones hidráulicas 6 m de ancho y 3,50 m de calado, con
sección rectangular y cajeros verticales, en el trasdós e intradós. El trazado del
canal principal recorre longitudinalmente el pie del muro deflector en su margen
derecha teniendo al final de éste un giro progresivo a la izquierda recorriendo el pie
de aguas arriba del cuerpo de presa, en cuya parte inferior se sitúan las tomas de la
central hidroeléctrica. El canal finalmente desagua por una galería que atraviesa el
cuerpo de presa. Este canal principal tiene una pendiente del 3%, una longitud de
143 m y paredes de 1 m de ancho.
4.
Canales secundarios de las playas de decantación, que desembocan en el canal
principal, concretamente en el tramo situado en el pie de aguas arriba de la presa, y
que transcurre paralelo al eje longitudinal de la presa. De la misma forma que el
canal principal, los canales secundarios presentan una forma curvilínea, cuyas
paredes tienen sección trapezoidal, de 1, 5 m de altura, 1 metro de ancho en la
base y 50 cm de ancho en la parte más estrecha
5.
Galería de salida del deflector que atraviesa el cuerpo de presa por el Bloque 14, de
sección rectangular de 4,5 m de ancho y 4,0 m de altura. Dicha galería comunica
por margen derecha con el cauce aguas abajo de la presa presentando un trazado
ligeramente curvilíneo que facilita así el desagua el curso del río. La galería desde la
sección de salida del canal del deflector hasta su incorporación al río presenta una
longitud de 74 m. Existe posteriormente un canal descubierto de sección
rectangular. Este elemento tiene dos sistemas de regulación: una compuerta planta
o una compuerta de segmento. La pendiente inicial es 4,5%. El nivel en la entrada
es 458 msnm y en la salida 455,6 msnm, desembocando en una rampa
inmediatamente antes de confluir en el río.
4. Funcionamiento hidráulico del deflector
Se ha estudiado el funcionamiento hidráulico del deflector en tres hipótesis, definidas a
partir de la cota de agua en el embalse y de la cota de agua en el deflector.
4.1. Hipótesis 1: Cota de agua entre la 467,75 y la 469,0
En esta hipótesis de cálculo se ha partido de un nivel inicial del embalse a la cota 467,75 m
que corresponde a la parte inferior de los marcos del muro del deflector, de manera que el
marco del canal principal está sumergido, y es el único que funciona.
D.26.
Se simula el aumento de cota en el embalse hasta la cota 469,0 para ver los resultados del
funcionamiento del orificio del canal principal y el funcionamiento de éste con los orificios
de las calles también funcionando.
Figura 2. Funcionamiento con el agua a la 467,5 (vista sur) y a la 469,0 (vista norte)
Para la cota 467,5 (funcionando sólo el canal principal) el caudal máximo que circula por este
3
es de unos 16 m /s y el nivel del agua a la entrada de la galería es la cota 459,7 m, en
consecuencia, todas las calles permanecen secas.
Las velocidades varían entre un máximo de 6,8 m/s al inicio del canal principal y 2,1 m/s
aguas arriba de la galería. Los calados a su vez fluctúan entre 0,5 m en el primer tramo del
canal principal y 1,7 m, calado antes de la entrada en la galería de desagüe.
3
Con el nivel del agua a la cota 469,0 el caudal desaguado por la galería es de 42 m /s, de los
3
que 20 m /s corresponden al orificio del canal principal y 22 m3/s a los orificios enfrentados
a las calles.
Las velocidades en las calles varían entre valores próximos a 6 m/s justo aguas abajo de los
orificios y 2,5 m/s al incorporarse al canal principal. Los calados en la zona de lavado de las
calles varían entre 0,15 m y 0,20 m según la calle y el punto de medida que elijamos.
El nivel del agua aguas arriba de la galería se sitúa a la cota 461,2, en este caso la velocidad
del agua justo aguas arriba de la galería es de 2,5 m/s.
4.2. Hipótesis 2: Cota de agua a la 469,0 y vaciado del deflector
En esta hipótesis de cálculo, se ha simulado el paso de un nivel del deflector de la cota 469,0
m, este nivel mantiene sumergidos todos los orificios del deflector, hasta el vaciado de este
a través de la galería de desagüe.
D.26.
Figura 3.Nivel inicial y nivel final en la Hipótesis 2 (vista en planta)
Se muestra a continuación el campo de velocidades máximas en esta hipótesis. Esta
hipótesis se realiza únicamente para calcular la velocidad máxima aguas arriba de la galería,
y dentro de esta, y comprobar el caudal desaguado. Estos valores son 3 m/s, 9,2 m/s y 165
3
m /s respectivamente.
Figura4.Velocidades máximas en la hipótesis 2 (vista en planta)
El vaciado del Deflector, en esta hipótesis, debe realizarse lentamente para permitir que se
eliminen las subpresiones sobre las losas del Deflector.
La curva de descarga de la galería de desagüe, cuando nos movemos entre la cota 458 y la
469 de cota de agua en el deflector, es la siguiente:
D.26.
Figura 4. Curva de descarga de la galería de desagüe
4.3. Hipótesis 3: Cota de agua a la 492,50
En esta hipótesis se sitúa el nivel del embalse a la cota del NAMN (492,5 m), es decir,
cercano a la coronación de la presa y por encima del muro deflector.
La finalidad en este caso es conocer cuál es el máximo caudal desaguado por la galería y que
velocidades se producen en el interior de esta.
El caudal desaguado en esta hipótesis es de 377 m3/s, y la velocidad en el interior de la
galería es de 21 m/s.
Estos datos, o en su caso los de la hipótesis 2, deberán ser tenidos en cuenta a la hora de su
construcción, ya que la galería tiene como finalidad conducir sedimentos, por lo que se juzga
necesario que las superficies hidráulicas sean resistentes a la abrasión.
5. Estimación del tiempo de limpieza del deflector
La estimación del caudal sólido erosionado se realiza, a partir de los datos de las hipótesis
anteriores, aplicando la metodología propuesta por Schoklisch
La ecuación propuesta por Schoklisch es la siguiente:
D.26.
3
𝑞𝑏 = 2500 𝑆 2 (𝑞 − 𝑞𝑐)
𝑞𝑐 =
0.6 𝑑
𝑠
7
3
[1]
2
[2]
6
Donde:
qb = caudal sólido erosionado (kg/s/m)
q = caudal especifico (m³/s/m)
qc= caudal en el movimiento incipiente (m³/s/m)
d = diámetro de las partículas (m)
S = pendiente de la línea de energía
Aplicando las fórmulas anteriores a nuestro caso obtenemos:
qc= 3,58 10-5 (m³/s/m)
qb = 4,76 (kg/s/m)
A partir de estos valores calculamos el tiempo de limpieza para cada calle y para cada
espesor de sedimentos.
Datos por calle
Hipótesis
4,59
x10 Tn/año
6
7,58
x10 Tn/año
6
Año
h.
sedim.(m)
Largo(m)
Ancho
(m)
Sedim.(m3)
Sedim.kg
Erosión
kg/s
Horas
limpieza
Medio
0,5
80
15
600
780.000
71,44
3,0
Máximo
0,82
80
15
984
1.279.200
71,44
5,0
Medio
0,14
80
15
168
218.400
71,44
0,8
Máximo
0,22
80
15
264
343.200
71,44
1,3
Tabla 1.Tiempos de limpieza del deflector
Como vemos los tiempos de limpieza varían entre 0,8 y 5 horas según la hipótesis de altura
de sedimentos que consideremos.
No obstante estos valores deberán considerarse orientativos e irse corrigiendo a partir de las
experiencias que se vayan obteniendo del limpiado de las primeras veces.
D.26.
6. Mantenimiento y explotación de la infraestructura
En condiciones normales de operación (492,5 msnm de NMN), la operación de lavado del
vaso del embalse comienza con la apertura de los desagües de fondo. Una vez que el nivel
del embalse alcanza la cota 469 msnm, nivel máximo del muro del deflector, comienza la
apertura de compuerta radial del desagüe de fondo secundario (situado en el interior del
deflector) con objeto de procurar niveles en el interior del deflector similares a los del resto
del vaso. Una vez que el vaso y el interior del deflector son completamente drenados se
pone en marcha una doble operación.
Para empezar, la compuerta radial del desagüe secundario se abrirá al completo
posibilitando así la evacuación del deflector mientras se activa el cierre controlado de los
desagües de fondo del embalse llevando el nivel del agua hasta el nivel inicial de la primera
fase del lavado, es decir a 467,75 msnm.
En esta fase el agua entra al deflector a través del orifico rectangular principal (4 m de ancho
por 1m de alto) generándose así un caudal en el canal principal de 15m³/s con velocidades
del orden de 3 m/s. Tras mantener la situación anterior durante unas pocas horas, la
siguiente fase comienza aumentando el nivel del agua en el vaso del embalse hasta alcanzar
469 msnm, entrando así en juego los canales secundarios a través de los orificios por los
cuales se produce la entrada de agua. De esta forma el flujo se dirige hacia el canal principal
recorriendo el pie de aguas arriba del cuerpo de presa generando turbulencia y evacuación a
través de la galería que recorre el cuerpo de presa sin reducir drásticamente la velocidad en
el canal principal.
El nivel de embalse es conducido finalmente hasta la cota 467,75msnm, lo cual implica que
únicamente esté operativo el canal principal del deflector. Esta operación se mantiene las
horas precisas mientras se va completando el proceso de lavado del deflector. Dado que la
acumulación de sedimentos es altamente variable y está basada en gran medida en la teoría
empírica, el proceso de lavado debe ser implementado a partir de la toma de datos en
tiempo real. Se propone que el lavado se realice cada 3 meses, así a partir de un conjunto de
referencias topográficas, de los tiempos de duración de las distintas fases y de un evaluación
en conjunto del proceso global, se obtendrá una nueva fecha para el siguiente lavado. Si se
obtiene una valoración altamente positiva, entonces se podría aumentar la cadencia
realizando lavados cada 6, 9 o 12 meses.
D.26.
7. Funcionamiento real
La central de Manduriacu ha entrado en funcionamiento en enero de 2015 y se ha procedido
a comprobar el funcionamiento del deflector, procediéndose a su vaciado a los 6 meses de
su entrada en funcionamiento.
A la vista de los resultados de los sedimentos atrapados en el deflector se obtienen las
siguientes conclusiones:

En los cálculos teóricos se infravaloró la cantidad de sedimentos atrapados en el
deflector, que ha sido bastante superior a la estimada en proyecto. Este
incremento puede venir en parte de la propia erosión generada en los taludes del
cauce por la propia obra de la presa. En posteriores limpiezas se podrá comprobar
este extremo.
Figura 5. Situación del deflector antes de comenzar la limpieza

D.26.
EL buen funcionamiento del sistema de auto limpieza, ya que se eliminan la
totalidad de los sedimentos del canal situado bajo la toma de la central
hidroeléctrica, y únicamente una parte de las dos calles situadas a la derecha de la
toma de la central no se limpian en su totalidad. En las próximas limpiezas se podrá
ir estimando en mejor medida el funcionamiento del deflector en estas calles.
Figura 6. Situación del deflector durante el proceso de limpieza
Referencias
Fórmula de Schoklisch. Bureau of Reclamation. US Department of the Interior. Erosion and
Sedimentation Manual.
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