documento en texto completo

ISAGEN S.A E.S.P
COLOMBIA
Colombia, Junio 4 2014
¿COMO LOS CAMBIOS OPERACIONALES E HIDROLÓGICOS AFECTAN
EL COMPORTAMIENTO DE UNA PRESA? LA REACCIÓN DE MIEL I
Autor/es: MAURICIO JIMÉNEZ GARCÍA, INGENIERO CIVIL.
Empresa o entidad: ISAGEN S.A. E.S.P
Cargo: Coordinador mantenimiento civil Central Miel I
DATOS DE LA EMPRESA
Dirección:Carrera 30 No 10C - 280
Código Postal:
Teléfono:
57 4 325 8150
Fax:
57 3 361 5620
E-Mail: maujimenez@isagen.com.co
PALABRAS-CLAVE: Mantenimiento,
presa, instrumentación, geotécnial,
hidrología, operacíon, RCC, Miel I,
Indicar código de subtema, (G1-2)
RESUMEN
Miel I, una presa de Concreto Compactado con Rodillo (CCR) localizada en Colombia, operada
por más de 12 años y prácticas operacionales/comerciales y comportamiento hidrológico
considerados como estables. Sin embargo, entre 2010 a 2012; Miel I confronto cambios en estos
dos aspectos. Antes de los cambios mencionados, el vertedero había sido usado en solo dos
ocasiones y por cortos periodos de tiempo. Sin embargo, a causa de los cambios, el vertedero fue
usado durante 30 días en el 2010 y 47 días en el 2011. Adicionalmente, desde agosto de 2010, el
embalse ha incrementado sus niveles por los aportes del túnel trasvase Guarinó. Estos aspectos
cambiaron e influenciaron los niveles del embalse durante 2010 a 2012 y en especial durante la
temporada de lluvias, marcando el comportamiento de la presa. Miel I confrontó fuerzas y
solicitudes a las cuales nunca había sido expuesta. Como producto de esto, pequeña fisuras y
cambios en los registros de algunos instrumentos fueron detectados. Es claro que estos cambios
no comprometieron la seguridad de la presa aunque es cierto que la presa de Miel I por primera
vez en 10 años fue llamada a trabajar con niveles altos y constantes. La información, análisis y
conclusiones recogidas durante estos periodos de tiempo permitió al grupo de mantenimiento de
la Central Miel I definir con anticipación prácticas para estas nuevas condiciones y aún más
importante, cerrar la brecha entre las practicas operacionales y los estándares de seguridad de
preas.
INTRODUCCIÓN
La Central Hidroeléctrica Miel I está localizada en Colombia, a 200 km de Bogotá en el
departamento de Caldas. La central usa las aguas del río La Miel y Moro para poder generar 396
MW. El área del embalse es de 1260 ha, 590 millones de metros cúbicos de embalse y una
longitud de 22 km sobre el río Miel y 12 km sobre el río Moro. El embalse es posible por la
presa de Concreto Compactado con Rodillo (CCR) de 188 m de altura.
La construcción de la Central Miel I inicio en diciembre de 1997 y termino en octubre de 2002 y
en diciembre de ese año, la planta inicio actividades operativas y de generación de energía.
Adicionalmente, desde agosto de 2010, el trasvase Guarinó empezó operación trayendo los
excesos de agua del río Guarinó hacia el embalse Amaní de la Central. El trasvase Guarinó
representó un importante cambio en las condiciones operativas de la central.
Adicionalmente, entre diciembre de 2011 y febrero de 2012, el área de influencia de la Central
Miel I confronto una temporada de fuertes lluvias. Esta temporada de lluvias causo que el
embalse sobrepasará sus niveles históricos y el vertedero fuera usado por 47 días de forma
continua. Durante este periodo, una serie de eventos, señales e información alerto al grupo de
mantenimiento civil a cargo de la seguridad de la presa.
Con estos indicios y condiciones, el grupo de mantenimiento empezó un programa de
inspecciones y análisis para encontrar las causas de las reacciones encontradas y revisar el
comportamiento de la presa. Para poder entender este fenómeno, este artículo presentará la
información que algunos instrumentos reportaron sobre sus rangos regulares, la evidencia física
que el grupo de mantenimiento presentó durante las inspecciones y el análisis y conclusiones
sobre este fenómeno.
PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS
Para el presente análisis, los siguientes pasos fueron definidos para encontrar las causas de los
hallazgos físicos en la presa y el cambio en el comportamiento de algunos instrumentos.
Paso 1. Análisis Hidrológico.
Dado que el principal “activador” o factor externo que afecta la presa de la Miel I es el nivel del
embalse, el primer paso fue revisar y analizar los niveles y comportamiento del embalse desde el
inicio de operación en el 2002.
Paso 2. Revisión de la información de la instrumentación.
Como fue explicado en el paso anterior, el principal detonante en el comportamiento de la presa
es el nivel del embalse. La influencia del nivel del embalse en la presa puede notarse en las
reacciones físicas (movimientos, fisuras y desplazamiento de juntas) o en el cambio del
comportamiento normal de las lecturas de los instrumentos y datos. Por esta razón, el grupo de
mantenimiento revisó el comportamiento de los instrumentos y busco que instrumentos
presentaban información o datos por fuera de los rangos normales.
Paso 3. Revisión de las manifestaciones físicas del movimiento de la presa .
La principal “alerta” o “signo” que fue detectado durante las rutinas de mantenimiento e
inspección fueron las reacciones físicas que presento la presa. Fisuras y aberturas en juntas
fueron encontradas e inventariaras para poder hacer el seguimiento respectivo y encontrar la
razón de estos eventos.
Paso 4. Análisis de la información y conclusiones.
Con los datos tomados de la instrumentación de la presa y la evidencia física recolectados
durante las inspecciones, el paso final fue relacionar todos estos en eventos para encontrar la
explicación y más importante, determinar el estado de la seguridad de la presa.
El análisis presentado en este artículo fue elaborado entre el 1 de diciembre de 2011 y el 15 de
febrero de 2012.
ANÁLISIS DEL RÉGIMEN HIDROLÓGICO DE LA CENTRAL MIEL I. PASO 1.
Como fue mencionado en la descripción del procedimiento de análisis, el primer paso es revisar
la información hidrológica. La Figura 1 presente el régimen del embalse desde enero de 2003 a
enero de 2013. Con la gráfica y las precipitaciones registradas año a año, es posible mencionar
que dos factores han afectado los niveles del embalse, las condiciones hidrológicas y la demanda
de generación eléctrica.
Figura 1. Evolución embalse enero 2003 a enero 2013
La Figura 1 presentó que el nivel del embalse tiene una tendencia a crecer año tras año. Los
niveles más altos son alcanzados entre diciembre y enero de cada año. Por otro lado, niveles
bajos son alcanzados entre junio y julio. Adicionalmente, la Figura 1 muestra cuatro periodos
donde el nivel del embalse ha alcanzado elevaciones por encima de los 445.50 msnm y el
vertedero fue usado. El número de días, el máximo nivel alcanzado y los periodos de vertimiento
son presentados en la Tabla 1.
Niveles máximos del embalse, duración y periodos
Periodo de tiempo
Días de uso
vertedero
Elevación max embalse
(msnm)
Noviembre 2005
2
445,54
Diciembre 2008
Diciembre 2010 –
Enero 2011
December 2011 –
February 2012
5
445,73
30
447,52
47
446,47
Tabla 1. Niveles del embalse, duración y periodos.
Después de revisar la Figura 1 y la Tabla 1, es posible determinar que los niveles del embalse
han cambiado especialmente entre los años 2010 a 2012. Adicionalmente, es importante
mencionar que durante el 2010, todo el año hubo u incremento constante del nivel del embalse
sin pausa o siguiendo el comportamiento bi modal de otros años. En este caso, los meses de junio
y julio no representaron un punto bajo en el nivel del embalse sino un punto más en la escalada
de niveles.
Estas condiciones fueron originadas por dos factores; la inclusión del trasvase Guarinó que
representa el aumneto de afluencia en un promedio de 30 m³/s y el incremento en las afluencias
originadas por los fuertes inviernos. Adicionalmente, las condiciones comerciales y de mercado
han estado enfocadas en incrementar el embalse hasta su máxima capacidad durante la
temporada de lluvias y descender durante la temporada seca sin llegar hasta los límites técnicos
de la planta. Como es ilustrado en la Figura 1, 2007 es el año que puede denominarse como
frontera en términos del nivel del embalse. Hasta diciembre de 2007, los niveles mínimos
estaban alrededor de los 395 msnm. Después de Diciembre de 2007, las condiciones del mercado
y el incremento en las afluencias durante la temporada de lluvias, los niveles mínimos
alcanzados estuvieron alrededor de los 405 msnm. Esto significa que el rango de los niveles del
embalse desplazo su promedio mínimo en 10 m, creando condiciones para almacenar una mayor
cantidad de agua y llegando a niveles mucho más altos.
ANÁLISIS DE LA INSTRUMENTACIÓN DE LA CENTRAL MIEL I. PASO 2.
Descripción de la instrumentación de la presa de Miel I.
De acuerdo con el memorando de diseño técnico porducido por Hidroestudios S.A (1994), y las
rutinas de mantenimiento e inspección definidas por ISAGEN para la presa de Miel I, la
instrumentación recopila parámetros como lo son temperatura, comportamiento de esfuerzos,
presiones de poro, infiltraciones de agua y reacciones (aceleraciones) ante eventos sísmicos. Con
esta información, el grupo de mantenimiento es capaz de definir el comportamiento geotécnico y
estructural de la presa y aún más importante, definir el nivel de seguridad que la presa puede
alcanzar día a día. Estos parámetros son registrados y monitoreados por la instrumentación de
hilo vibrátil instalada durante la construcción de la presa y descrita en la Tabla 2.
Instrumentación de hilo vibratil. Función y descripción
Número
Instrumento
Función
instaldo
Termocupla
Celda
presión
de
Medidores de
deformación
Extensometros
de
posicion
multiple
Medidores de
junta
Piezometros
309
11 (33 sensores
en direcciones
X,Y,Z)
15 (45 sensores
en direcciones
X,Y,Z)
4 ( 24 sensores,
6
por
instrumento)
129 (43 groups
in
X,Y,
Z
diections)
80 (25 in rock
fundación, 39
dam body, 9 in
contact
areas
and 7 to check
deep grouting
Monitorea la temperature del concreto
Monitorea comportamiento de deformación (tensioncompresion)
Monitorea comportamiento de deformación (tensioncompresion)
Monitorea deformación es puntos específicos
Monitorear movimientos diferenciales entre monolitos
de CCR.
Monitorear presiones de poro en la roca, presa and y en
la cortina de inyecciones profunda.
Instrumentación de hilo vibratil. Función y descripción
Número
Instrumento
Función
instaldo
courtain)
Acelerometros
3
Evaluar comportamiento dinámico.
Tabla No.2 Listado y descripción de la instrumentación.
Niveles de alerta y máxima cabeza hidráulica posible.
Este punto centrará su análisis en la reacción de los piezómetros dado que algunos instrumentos
registraron un cambio significativo y comportamiento anormal dadas las condiciones de
elevación del embalse.
El informe final de construcción de la presa de Miel I reporta y define que los piezómetros no
deben alcanzar una presión equivalente al 34% de la cabeza hidráulica sobre el instrumento. Con
esta premisa, cada piezómetro tiene su propio “nivel de alerta” dependiendo de su ubicación y
condiciones. Por ejemplo, el piezómetro PF-15 fue instalado en la elevación 315,00 msnm. Si es
tomado un promedio de elevación del embalse durante los meses de febrero de 2011 y febrero de
2012, el nivel de alerta o máxima presión que debe monitorearse será máximo 4,45 kg/cm². Los
siguientes cálculos soportan el nivel de alerta definido.
Máxima cabeza hidráulica sobre el piezómetro.
(Nivel del reservorio – elevación de instalación) m / 10 cm²*m/kg = cabeza hidráulica.
(446,00 – 315,00) m/10 cm²*m/kg = 13,1 kg/cm²
Nivel de alarma
(Máxima cabeza hidráulica sobre el piezómetro) kg/cm²*34% = Nivel de alarma
13.1 kg/cm² * 34% = 4,45 kg/cm².
Usando tablas de Excel, es posible tener la alarma real para cada nivel del embalse y para cada
piezómetro. La Figura 4 ilustra el nivel de alarma y el comportamiento del piezómetro PF-15.
Figura 4. Niveles de alerta y datos reales piezómetro PF-15.
Piezómetros con comportamiento especial durante altos niveles del embalse.
Piezómetros ubicados en el estribo derecho en un área que durante construcción fue necesario
aplicar inyecciones de consolidación adicional, registraron niveles cercanos o superiores a los
definidos como niveles de alarma. Los piezómetros con información superior son los PF-14, PF17, PE-C2, PE-C, PE-C6, PE-CH5, PE-CH6 and PE-CH7. Figura 5 a 8 presenta cuatro graficas
representado los registros encontrados en instrumentos seleccionados del grupo mencionado
anteriormente.
Figura 5. Comportamiento del PF-14.
Figura 6. Comportamiento del PE-C2.
Figura 7. Comportamiento PF-17.
Figura 8. Comportamiento del PE-C6.
La información ilustró que durante periodos de altos niveles del embalse, los instrumentos
mencionados anteriormente reportaron presione superiores a las definidas para los niveles de
alarma. Adicionalmente, el grupo de mantenimiento detecto que la reacción es mucho más
marcada y notoria una vez el nivel del embalse alcanza la elevación 439,00 msnm. Esta
información fue usada para definir y planificar las rutinas, inspecciones y monitoreos de la presa
durante temporadas de niveles altos. El grupo de mantenimiento decidió incrementar las
frecuencias de las inspecciones y visitas a la presa una vez el nivel del embalse alcanza la
elevación 439,00 msnm.
Adicionalmente, para poder identificar si hay algún indicio adicional, el grupo de mantenimiento
civil de Miel I desarrollo un modelo en 3D de la presa. Este modelo facilita la visualización de la
posición de los instrumentos con respecto a otros instrumentos de la presa y las posibles
implicaciones en el estado de la fundación, estribos y presa. Este modelo permitió detectar que
los instrumentos reportados podían agruparse y zonificar su comportamiento.
Finalmente, es importante resaltar que durante la revisión de los datos de instrumentación, el
grupo de mantenimiento civil no encontró indicios en otros instrumentos tales como
extensómetros, celdas de presión o un aumento considerable en los registros de infiltración de
agua en los estribos y cuerpo de la presa. Utilizando el modelo 3D, los instrumentos cercanos o
relacionados a los piezómetros mencionados y con un comportamiento atípico fueron indagados
constantemente sin encontrar señales de datos o reacciones fuera de lo normal.
Figura 9. Modelo 3D de la presa de la Miel I.
REACCIONES FÍSICA. PASO 3
Durante diciembre de 2011 a enero de 2012, dados los altos niveles del embalse; el grupo de
mantenimiento civil de Miel I detecto las siguientes reacciones físicas en la presa.
Ampliación del espesor de las juntas de la cresta JC 1, 7 y 12
Localización.
JC-1. Estribo derecho cerca de la unión entre la roca y el cuerpo de la presa.
JC-7. Estribo derecho cerca del inicio del vertedero.
JC-12. Estribo izquierdo, cerca del final del vertedero.
La Figura 7 presenta la localización de las juntas con respecto al cuerpo de la presa.
Figura 7. Localización de las juntas JC 1, 7 y 12.
Rutinas de inspección.
El grupo de mantenimiento civil mensualmente inspecciona las diferentes zonas de la
presa. En la inspección ejecutada en la cresta de la presa, el 8 de diciembre de 2011, las
juntas mencionadas anteriormente fueron encontradas en condiciones normales. Sin
embargo, durante la inspección de enero de 2012, las juntas mencionadas fueron
encontradas e condiciones anormales, las cuales serán descritas a continuación.
JC-1. Abertura de 5 mm en la junta. Ver Foto.1
Foto 1. Abertura en la junta JC-1.
JC-7. Abertura de 5 mm en la junta. Ver Foto.2.
Foto 2. Abertura en la junta JC-7.
JC-12. Abertura de 2 mm en la junta. Ver Foto.3.
Foto 3. Abertura en la junta JC-12.
Abertura detectada en la aleta izquierda del muro del vertedero
La abertura fue detectada en la parte media de la presa, sobre el muro que soporta el vertedero.
La Foto 4 presenta su localización.
Foto 4. Localización de la apertura en la aleta izquierda del vertedero.
Rutinas de inspección.
Como fue mencionado anteriormente, durante la rutina de inspección de diciembre de 2011 no
hubo evidencias o señales de movimiento en el muro. Sin embargo, durante la inspección de
enero de 2012, el grupo de mantenimiento civil detecto una abertura de 8 mm de espesor en una
zona particular del muro. La abertura es ilustrada en la Foto 5 y 6.
Foto 5. Abertura en el muro izquierdo del vertedero.
Foto 6. Detalle de la abertura.
Fisuras en la gola. Galería superior de la presa.
Durante las inspecciones de enero de 2012, cerca de ocho fisuras de no más de 1 mm de espesor
fueron detectadas por el grupo de mantenimiento civil. Las Fotos 7 y 8 presentan las fisuras
enmarcadas entre dos líneas rojas para mejor visualización.
Foto 7. Fisuras encontradas a 7 m del centro de la presa, estribo derecho.
Foto 8. Fisura detectada en el centro de la presa.
ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN Y CONCLUSIONES. PASO 4.
Después de revisar la información recopilada y referente al comportamiento del embalse, datos
de la instrumentación y revisión de las evidencias físicas de movimiento de la presa, es posible
analizar y concluir los siguientes puntos.
-Los eventos registrados entre diciembre de 2011 y enero de 2012 fueron ocasionados por los
altos niveles del embalse los cuales incluyeron una duración de 47 días de vertimiento.
-Los fuertes inviernos del 2010 a 2012 y cambios operacionales (inclusión del trasvase Guarinó)
y cambios en las tendencias de comercialización de energía.
-El comportamiento del embalse de Miel I puede considerarse “aun en desarrollo” dadas la
tendencia creciente que aun presenta. Es posible que el comportamiento del embalse sea estable
en los próximos años. Sin embargo, hasta que esto no ocurra, los grupos a cargo del
mantenimiento de la presa deben hacer seguimiento a la influencia del embalse en la presa.
-Adicionalmente, en el 2010 hubo un aumento progresivo y sin pausa en el nivel del embalse.
Esto pudo generar un sostenimiento de las presiones en la roca y generar un salto en los
esfuerzos que la presa y roca debe soportar. Es importante analizar con un mayor detenimiento
este efecto pues es posible que por condiciones comerciales y régimen de lluvias esta situación
se presente nuevamente.
-Algunos instrumentos presentan niveles o lecturas sobre los límites de alarma definidos por el
diseñador de la presa. Sin embargo, la reacción de estos instrumentos puede considerarse local y
particular dado que no hay señales de degradación de la roca, incrementos en la filtraciones de
agua a través de los estribos o la presa o combinación de presiones que pudieran crear un efecto
de subpresiones para levantar la presa u otro evento o singo que pudiera considerarse una
amenaza.
-Adicionalmente, este comportamiento demostró que los niveles de alarma deben estudiarse y
definirse nuevamente en compañía de consultor basados en el comportamiento de los últimos 12
años, la tendencia del mismo y la evolución del estado del arte en seguridad de presas.
-Sin embargo, si bien no hay riesgos en el momento, estos comportamientos deben
constantemente revisarse y ensayos o pruebas adicionales sobre la evolución de la degradación
de la roca, concreto, permeabilidad, efectividad de los drenajes y cortina de inyecciones deben
empezar a estudiarse. Es importante recordar y como ya fue mencionado anteriormente que el
comportamiento del embalse aún no es estable y que con los cambios que pueda originar la
entrada del trasvase Manso, la tendencia año tras año será de llegar fácilmente a la cota
vertimiento. Al tener mayores niveles y de forma constante, las presiones en la roca y en la presa
aumentaran.
-Es importante definir estrategias y planes para en lo posible evitar el vertimiento lo que significa
evitar en lo posible que el agua pasa por encima de la presa. Esta recomendación puede
sustentarse en el hecho que el agua que pasa por el vertedero es agua que no es generada.
-Durante el análisis de la información, fue explorada la posibilidad de inyectar o reforzar la
cortina de intyecciones profunda de la presa. Sin embargo, dadas las condiciones encontradas,
esta alternativa no fue necesaria.
-Las reacciones físicas detectadas en la cresta y gola de la presa son consecuencias de los
esfuerzos que la presa soporto por los altos niveles del embalse. Es posible hacer una similitud
entre la presa y una viga simplemente apoyada, la cual, l estar cargada, sufre esfuerzos que
generan las fisuras. La presa trabajó como una viga y los estribos de roca fueron sus soportes. El
empuje o fuerza que ejerció el embalse puede considerarse como una carga uniformemente
distribuida. Como una viga, el centro de la presa fue deflactado y las fisuras aparecieron en los
puntos de mayor concentración de esfuerzos.
-Este evento confirmó la importancia de las inspecciones visuales, el constante entrenamiento del
personal a cargo de las inspecciones y la frecuencia de las mismas. Adicionalmente, personal
entrenado, inspecciones rutinarias bien definidas y un buen control de la información registrada
son elementos claves para la detección y análisis el comportamiento de la presa. Sin embargo,
fue detectado que poder llegar a muchos puntos de la presa durante la temporada de lluvias es
difícil dadas las condiciones topográficas y de accesos. Por lo anterior, es fundamental mejorar el
acceso a todos los puntos de la presa.
-Después de estos eventos, el grupo de mantenimiento civil de Miel I definió que una vez en
embalse alcance la elevación 439,00 msnm, las rutinas de inspección y análisis de la
instrumentación deben doblarse para así tener información día a día y detectar posibles
anomalías.
- Más del 60% de la información y todos los piezómetros registran información con una
periodicidad diaria. Esta frecuencia permite al grupo de mantenimiento civil tener información
confiable y a tiempo para definir tendencias y predecir comportamientos de la presa.
-Durante los eventos descritos en este artículo, la estabilidad y seguridad de la presa de Miel I
nunca estuvo comprometida o en peligro.
-Referencia.
Manuales
[1] Geokon Inc. Instruction manuals for vibrating wire instruments. Geokon Inc 2009.
Informe de diseño
[2] .Hidroestudios S.A. Memorando tecnico Instrumentacion de la presa proyecto Hidromiel.
1994.
RECONOCIMIENTOS
Al grupo de mantenimiento civil que dedican su tiempo a las actividades de campo para que la
información llegue a los centros productivos de forma confiable y oportuna.
A los directivos de ISAGEN y en particular al Ingeniero Mauricio Botero por siempre incentivar
la imaginación e intensión de divulgar el trabajo que día a día es ejecutado en la Central Miel I.