Manejo de la Sedimentación en Embalses Hidroeléctricas

Manejo de la Sedimentación en
Embalses Hidroeléctricas
1ro Taller Sobre Gestión de Sedimentos en Embalses en Colombia
Consejo Nacional de Operación, Bogotá
27 de mayo de 2015
Dr. Gregory L. Morris, PE
Ing. Juan Portalatín, PE
gmorris@glmengineers.com
Chivor UrráPuchiná

Impactos Debido a los Sedimentos
en las Sistemas Hidroeléctricas
IMPACTOS EN EL EMBALSE
• Pérdida de capacidad
• Obstaculización de la bocatoma
• Abrasión de obras hidráulicas (e.g. Vertedero, compuertas)
• Acumulación en conductos
IMPACTOS EN LA CASA DE MÁQUINAS
• Obstrucción del sistema de enfriamiento
• Erosión de los equipos hidro-mecánicos (turbinas, válvulas)
• Aumenta daño por cavitación
• Necesidad de parar el central cuando sube la concentración
de sedimentos

Pérdida del volumen
del embalse
Colmatación
de túneles

Sedimentos y la Sustentabilidad
de los Embalses
• Las sistemas hidroeléctricas proveen la mayoría de la energía eléctrica en
Colombia, y el agua almacenado en los embalses es crítico para suplir energía
durante los meses de estiaje.
• Los embalses son una clase de infraestructura única en cuanto a que depende
de una combinación favorable de factores de hidrología, topografía, geología
y uso de terreno.
• Se puede re-construir la represa, pero no el embalse. Son pocos los sitos para
embalses, y no están fabricando más sitios.
• Una vez sedimentado un embalse, es muy dificil y costoso recuperar la
capacidad perdida, particularmente para los embalses grandes.
OBJETIVO: Garantizar la operación los embalses por un
tiempo indefinido mediante el manejo de la sedimentación.

Abrasión de Equipo Hidromecánico
Abrasión de Rodete en la Central Kali Gandaki, Nepal

Los sedimentos normalmente ocasionan la
abrasión gradual de los equipos hidromecánicos
• Pero en casos extremos pueden ocasionar daños
catastróficos
Abrasión de wicket

Válvula de aguja en buen estado
Deflector Aguja Asiento del válvula

Desgaste luego de
10,000 horas de
operación normal
Patrón de desgaste
superficial sobre la aguja
Desgaste en el punto de
cierre contra el asiento de
la válvula

Una abrasión catastrófica ocurrió cuando el embalse fue operado a un nivel
bajo durante una crecida, lo cual socavó arena desde la zona de delta y lo
llevó hacia la bocatoma. La central estuvo fuera de servicio 25 días para
reparación. Después se estableció un sistema de monitoreo de la
concentración de sedimentos.

Desgaste ocasionado en <24 hrs de operación con arena

Desgaste del asiento de la válvula en <24 hrs de operación con arena
Válvula esférica

Factores que influyen la tasa de
abrasión
Factores No podemos controlar Factores SI podemos controlar
Concentración y tamaño de
sedimento en el río
Tamaño máximo entregado a las
turbinas
Minerología (dureza y
angularidad del sedimento)
Dureza superficial (revestimiento)
Carga hidráulica Diseño de turbinas y otras
componentes
Escala Mho:
Dureza de acero en turbinas ≈ 4.7
Dureza cuarzo ≈ 7.0

Estrategias para Minimizar el Desgaste
Factoes SI podemos controlar Estrategias de Control
1. Diseño de turbinas y otras
componentes
• Seleccionar diseño de turbinas que reduce
la abrasión
• Diseñar partes sujeto a desgaste para
facilitar su re-emplazo
2. Tamaño máximo de
sedimentos que llegan a las
turbinas
• Optimizar la configuración de la bocatoma
para reducir entrada de sedimento
• Optimizar diseño y operación de
desarenador para maximizar eficiencia de
remoción (ej. eliminar corte-circuito
hidráulica)
• Reducir caudal durante crecidas con alta
concentración de sedimento
• En embalses, controlar nivel mínimo
operacional
3. Dureza del superficie del
metal
• Aplicar revestimiento a la turbina

Ecuación Nozaki de ciclo de reparación
Parametros utilizadas en
determinar la tasa de
abrasión de equipos hidro-
mecánicos
Curva para determinar el ciclo de
reparación en base a la
concentración modificada y carga
hidráulica (velocidad del flujo).

Conceptos Principales de Manejo
1. El manejo sostenible ya es un “mejor práctica de la
ingeniería” de hoy; no es un problema para resolver en
el futuro.
2. La transición al uso sostenible, siguiendo operación al
largo plazo, es factible con planificación adecuada:
– Requiere cambios operacionales
– Puede requerir modificaciones estructurales
– Los beneficios en el futuro pueden ser menos de la situación
actual.
– Los impactos ambientales pueden cambiar.
3. Diferentes estrategias de manejo son aplicables a
diferentes tamaños de sedimento
4. Se requiere un programa de monitoreo regular para
entender mejor la situación de cada embalse y
encontrar soluciones óptimas

Operación al largo-plazo requiere que se
reemplace el concepto de “Vida Útil” con el
concepto de “Operación Sostenible.”
Se recomienda la adaptación de la estrategia de Operación Sostenible
como el mejor práctica de la ingenería para las sistemas hidroeléctricas.
Operación Sostenible
Balance de Sedimentos
Inﬂujo = Descarga
Concepto de "Vida Útil"
Acumula Sedimento Continuamente
Escenario de "Fin-de Vida" y
Cierre del Proyecto

El cierre del proyecto y remoción de la
presa conlleva un serie de consecuencias
(Glines Canyon hydropower dam, Elwha River, USA)
Remoción de la presa, liberación de
los sedimentos acumulado durante
casi 100 años

Que es la Operación Sostenible?
Los objetivos de la Operación Sostenible en embalses
son: (1) minimizar la tasa de pérdida del volumen, y
(2) lograr un balance entre la entrada y descarga de
sedimento mientras se maximiza el volumen de
almacenaje u otros beneficios.
Los beneficios de los proyecto no son relacionado
directamente al volumen de almacenaje
• No todos los volumenes tienen el mismo valor
• Por ejemplo, volumen para regulación para horas picos tiene
mucho más valor que el volumen de almacenaje estacional
(de invierno a los meses secos).

Consecuencias Ambientales
• Modelo “Vida Útil” con cierre del proyecto
– Habrá que construir proyectos nuevos de re-emplazo,
con sus impactos correspondientes
– El cierre del proyecto no implica que los impactos
ambientales son cero.
– El balance de sedimentos será re-establecido, pero sin
beneficios operacionales
• Modelo “Operación Sostenible” del proyecto
– Requiere re-establecer el balance de sedimentos
– Evita la construcción de proyectos de re-emplazo

La operación sostenible se logra solamente
como resultados de las acciones
apropiados tomados a tiempo

Cuándo se experimentan problemas por
la sedimentación?
• En general, con la pérdida de 50% de la capacidad el
embalse va a tener serios problemas para cumplir su función
de su diseño original.
• Muchos embalses experimentan problemas al perder muy
poca capacidad si la sedimentación está enfocada en zonas
críticas.
– Ejemplo: Corrientes de turbiedad que depositan sedimentos en la
zona de la toma.
• Muchos embalses experimentan tasas de sedimentación
mayor que lo anticipado en el diseño original.

No todo los sedimentos están enfocado en la
zona muerta. Pierde capacidad útil a la vez que
pierde volumen muerto (La Esmeralda, AES-Chivor).
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Jan-75 Jan-85 Jan-95 Jan-05 Jan-15 Jan-25 Jan-35 Jan-45 Jan-55 Jan-65
VOLUMENTOTAL(Mm3)
AÑO
Año 2060: 50% pérdida
del volumen total.
50% del volumen original
758 Mm3
583 Mm3
507 Mm3
Volumen Ú l
668 Mm3
Volumen Total

Escorrentía anual
Volumen embalse
Capacidad:influjo =
Cuenca no-embalsada
Embalse
Cúales embalses tendrán problemas más rápidos?
1. Embalses de menor tamaño hidrológico
2. Cuencas con mayor tasa de erosión y rendimiento de
sedimento
El tamaño hidrológico se representa por
la razón Capacidad:Influjo

El camino hacia la operación sosetnible se inicia con la
preparación de un Plan de Operación Sostenible
• Recopilación de datos existentes
• Diagnóstico para identificar:
– Estrategias técnicamente factibles
– Necesidades de información y datos de campo
• Estudios a detalle
– Estudios de campo
– Estudios de gabinete y modelación
– Diseño conceptual y estimado de costo
• Selección del Plan de Ejecución
– Acciones
– Secuencia e itinerario
– Diseño, permisos, ejecución de obras
– Cambios operacionales

Es necesario entender las carácterísticas de
la sedimentación en el embalse.

Los procesos y patrones de sedimentación y opciones de
manejo pueden variar MUCHO de un embalse a otro
• Tamaño y cantidad de sedimento.
• Delta puede ser presente o ausente.
• Corrientes de turbiedad pueden llegar al
embalse, o pueden dissipar antes de llegar.
• Diferencias en la configuración geométrica del
embalse
• Diferencias en la configuración de la bocatoma,
las compuertas, etc.
• Reglamentación vigente.
• Mercado de energía.

Sedimentacion en el Delta
• La sedimentación es visible
• Sedimentos gruesos: NO SE PUEDE TURBINAR
• Es esencial evitar su entrada en la bocatoma
• Su avance hacia la bocatoma depende en la
operación del embalse

Delta con sedimento grueso
(Embalse Yeso, aguas arriba de Santiago, Chile)

Delta compuesto de arena y limo
(embalse Tarbela, Pakisan)

Llegada del delta al embalse (Brazil)

Depósitos de delta erosionados durante la
reducción en nivel anual debido a la
operación de la hidroeléctrica

Muestreo de arena en zona de la delta
en el embalse La Esmeralda

Delta cortando tributarios
(embalse Porce II, Colombia)
Delta
Corriente de
turbiedad

Patrones de deposición en el delta no son
uniformes (Represa Peligre, Haití)

Que será el patrón de sedimentación
en El Peñol?

Depósito de
Sedimentos Finos
cercanos a la
represa
Lago Prieto, Puerto Rico
Embalse Guavio, Colombia

Patrón del Movimiento de una Corriente
de Turbiedad a través de un Embalse
La deposición de sedimentos de repetidos se caracteriza por un lecho
horizontal que se extiende aguas arriba de la presa.

Turbiedad aguas abajo de la
represa
Agua turbia entrando al
embalse
Agua clara superficial dentro
del embalse
Represa
Represa Dos Bocas
Puerto Rico
Ejemplo de una corriente de
turbiedad pasando por un
embalse hidroeléctrico.

Punto de Sumergencia de Corriente de turbiedad
Embalse Playas, Colombia

Sedimentación en Represa Nurek, Tajikistan
(zonas de depósitación de sedimento grueso y fino)
Depósitos horizontales, indicativos de
sedimento transportado por medio de
corrientes de turbidez. (diámetro <= 10μ)
Depósito de Delta
(diámetro 10-250 μ)

Presa Nurek (La
Represa se extiende
70 km aguas arriba)
A 34 km aguas arriba
de la presa se
encuentra el punto de
sumergencia de las
corrientes de turbidez
Represa Nurek, Tajikistan
Altura de la Presa= 300 m
Vol. Inicial = 10.5 km3

Punto de Sumergencia-Corriente de Turbidez
(mayo 2015, Embalse Nurek, Tajikistan – 3000 MW, 10 km3 de almacenaje)

Las corrientes de turbidez pueden transportar grandes cantidades de sedimentos,
especialmente en el inicio de la vida del embalse, cuando la eficiencia de atrapar
sedimentos es mayor, sin embargo muchos proyectos no lo consideran como una
medida de manejo de sedimentos.
(Represa Nurek y Embalse en Río Vakhsh, Tajikistan – Cuenca del Mar Aral)

Lecho Sedimentado es horizontal
Elev. vertedero
Fondo original
Embalse Elephant Butte, New Mexico, USA
Patrón de sedimentación de sedimentos finos
aguas abajo del delta

Nivel del vertedero
Liberación de Corrientes de Turbiedad:
A pesar de tener corrientes de turbiedad, de turbinar los sedimentos finos
asociados con la corriente de turbiedad, no se desarrolla el patrón de
sedimentación de un lecho horizontal cercano a la represa, ya que las
aguas turbias están liberadas. (Represa Dos Bocas, Puerto Rico)

Descargando agua de dos niveles
(Xiaolangdi, Río Amarillo, China)

Estrategias de Manejo de Sedimetos
1. Reducir Influjo de
Sedimentos
2. Pasar Sedimentos 3. Remoción de
Sedimentos
4. Adaptación a la
Sedimentación
Monitoreo
(necesario en
todas las
opciones)

1-Reducción de Influjo de Sedimentos
• Control de Erosión
– Costoso, puede envolver miles de dueños de terrenos, lento e poco
predecible su efectividad
• Atrapar Sedimentos Aguas Arriba
– Presas pequeñas tienen poca capacidad y están expuestas a fallas,
descargando todo el sedimento acumulado
– Presas grandes son costosas
– Presas para hidro ó irrigación son típicamente son las formas más
rápidas y seguras para reducir el influjo de sedimentos, pero no
siempre es certero.
• Descargas de Sedimentos Aguas Arriba
– Represas aguas arriba pueden cambiar su operación y comenzar a
descargar sedimentos

Erosión vs. Rendimiento de
Sedimentos
• Erosión. Desprendimiento y movilización inicial de
partículas del suelo. El material erosionado puede ser
transportado una distancia corta o larga antes de
sedimentarse. La tasa de erosión casi nunca se mide en
el campo, se estima en base a ecuaciones.
• Rendimiento/producción de Sedimento. Cantidad de
sedimento transportado hacia un punto de referencia
en la red de drenaje, por ejemplo, una estación de
aforo o un sitio donde hay una represa. Esto es el
parámetro medido en el campo.
• Razón de entrega de sedimento. Razón del rendimiento
de sedimento a la tasa de erosión.

La protección del suelo del impacto directo de la lluvia tiene
un efecto grande en reducir la tasa de erosión. Importancia
de la vegetación en el control de la erosión.

FUENTES DE SEDIMENTOS
Impacto de gotas de lluvia-
El proceso que inicia el proceso
erosivo.
No todos los sedimentos erosionados llegan a la
estación de aforo o al embalse antes de quedarse
atrapados o sedimentados nuevamente.

A todos los niveles geográfico (nivel de cuenca, nivel
mundial), existe un alto grado de variación en el rendimiento
especifico de sedimentos. Es esencial identificar las zonas de
mayor aporte y enfocar esfuerzas a estas zonas.
Rendimiento de sedimento a nivel mundial.
8.8% del área contribuya 69% de los sedimentos

Pequeñas obras para el control de cárcavas son costosas y poco
efectivas a largo plazo, si no tienen mantenimiento.
La mejor estrategia es establecer vegetación.
Zona Río Arque
Cochabamba, Bolivia
Erosión por el
lado de la
estructura con
escape de los
sedimentos
atrapados.
El objeto de las obras
debe ser de permitir
estabilización con
vegetación.

Efecto de eventos grandes en el
rendimiento de sedimento
0
200,000
400,000
600,000
800,000
1,000,000
1,200,000
Jan-83 Jan-87 Jan-91 Jan-95 Jan-99 Jan-03
CargaAcumulativadeSedimentos(toneladas)
Fecha
No Hay
Datos
Georges
Hortense
Hurricane Hugo 9/18/89
No Data
Daily Suspended Sediment Load
Río Valenciano nr Juncos
USGS 50056400
Acumulación de descarga de sedimento en
suspensión diaria durante 9 años.
Río Valenciano, Puerto Rico
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
10/6/80 2/18/82 7/3/83 11/14/84 3/29/86 8/11/87 12/23/88 5/7/90
CUMULATIVEDISCNARGE&LOAD(%ofTotal)
DATE
Santa Ana River at Mentone
(USGS gage 11051500, Los Angeles area, California)
S.S. LOAD
Water Discharge
Acumulación de descarga de sedimento
en suspensión diaria durante 8 años.
Río Santa Ana, área de Los Angeles, California.

Pérdida de volumen por eventos
extremo en la cuenca

La Experiencia China
• Es necesario implantar el control completo dentro de una
micro-cuenca antes de trabajar en la próxima.
• Puede requerir de muchos estructuras (cientos de
estructuras) en una cuenca.
• Requiere de una buena construcción.
• Al no lograr estabilización completa, con control vegetativo, el
proceso erosivo será iniciado nuevamente.

2-Pasar Sedimentos
• Desvío de Sedimentos (almacenaje fuera del cauce)
– Efectivo, método de preferencia si es posible
– Reduce dramáticamente pero no elimina la sedimentación
• Reducción de Nivel del Embalse (“sluicing”)
– EL nivel del embalse es reducid durante crecidas para maximizar la
velocidad del flujo a lo largo del embalse y minimizar
sedimentación.
– Parte del sedimento previamente depositado puede ser erosionado,
pero no es el objetivo principal
• Descargar Corrientes de Turbidez
– Muchas represas tienen corrientes de turbidez, sin embargo no en
todas se transportan cantidades substanciales de sedimentos.
– Requiere descargas a niveles bajos
– Impacto mínimo en la operación

Desvío de Sedimentos
Embalses Fuera del Cauce- Agua con bajo sedimento es desviada hacia el embalse
Exclusión de Crecidas – Agua con alta concentración de sedimentos durante
crecidas es desviada y no se permite que entre al embalse
Ejemplos Hidro- San Francisco (Colombia), San José (Bolivia)
Ejemplos Sistemas de Almacenaje de Agua– Fajardo & Río Blanco, Puerto Rico

Embalse
Toma en Rio Blanco
Tubería de Gravedad de
66”
Planta de Filtración
Estación de
Bombas
Tubería de Dsitribución
Cuenca del Embalse
Esquema del Proyecto Río Blanco

Agua utilizada en el Proyecto Río Blanco
Rio Blanco Daily Discharge
0
2
4
6
8
10
7/20/72 2/5/73 8/24/73 3/12/74 9/28/74 4/16/75 11/2/75 5/20/76 12/6/76 6/24/77 1/10/78
Fecha
Descarga(m3
/s)
Flujo Ambiental
Capacidad de la Tubería
• Flujos bajos se mantienen en el río (flujo ambiental)
• Flujos medios se desvían hacia el embalse
• Flujos altos con altas concentraciones de sedimentos fluyen
aguas abajo en el río

Embalse
Carite
Patillas
Guajataca
DosBocas
Cidra
Caonillas
Lucchetti
Loiza
ToaVaca
LaPlata
Cerrillos
Fajardo
RioBlanco
3900 3950 40003700 3750 3800 38503500 3550 3600 36503200 3250 3300 33503000 3050 3100 31502800 2850 2900 29502600 2650 2700 27502400 2450 2500 25502250 2300 2350 34002050 2100 2150 22001900 1950 2000 3450
Año
2003
Embalse Río Fajardo
(Año 3965)
Embalse Rio Blanco
(Año 3220)
Vida Media de Varios Embalses en Puerto Rico
(Tiempo en que perderán la mitad de la capacidad por sedimentación)

Almacenaje Fuera de Cauce para Regulación Diaria
(Proyecto San José, Bolivia, 122 MW)
Problema: Cargas de sedimentos extremas, con bolos en el cauce, y un
área con restricciones para la construcción de una represa
Solución: Construir una laguna de regulación para generación pico.

Esquema del Proyecto San José, Bolivia

Reducción en nivel para pasar sedimentos

Pasando Sedimentos Por Vaciado Prolongado
(Embalse Sanmenxia,Río Amarillo, China)
Embalse está vaciado cuando empiezan los meses de flujo alto
Se cierre a mitad de la estación húmeda para llenar el embalse

Crest =702 m
Compuertas de fondo
12 - 3x2 m Compuertas de fondo
8 - 3x2 m
Bocatomas
Convertidas para pasar sedimentos
Túneles
Sanmenxia: Configuración de
compuertas de fondo

Compuertas de Fondo
Flujo
Pasando Sedimentos Durante
Crecidas
Embalse Sanmenxia, Río Amarillo, China

Pasando Sedimentos Durante Crecidas
Embalse Sanmenxia, Río Amarillo, China

Reducción de Nivel del Embalse (“sluicing”)
Pasar sedimentos atravez del embalse con alta velocidad de flujo
• Conceptos Claves
– Reducir tiempo de detención para reducir sedimentación
– Mantener alta velocidad a lo largo del embalse para minimizar
deposición de sedimento
• Enfoque Operacional
– Requiere reducción del nivel del embalse en anticipación al evento
de crecida o temporada de flujo alto
– Requiere de un sistema de operación automatizado
• Aplicabilidad
– Funciona en embalses de cualquier tamaño
– La eficiencia varia considerablemente, dependiendo de la
configuración del embalse y la hidrología. Funciona mejor en
embalses largos y estrechos
– Requiere compuertas de alta capacidad

Hidrograma de Monsón y Manejo de Represa
Represa operada en un nivel mas bajo durante el monzón para maximizar la
velocidad del flujo y minimizar deposición de sedimentos. Sin reducción de nivel,
Kali Gandaki se llenaría de sedimentos en un solo año.

Kali Gandaki, Nepal:
reducción de nivel del embalse

Descarga de Corrientes de Turbidez
• Conceptos Claves
– Deben existir corrientes de turbidez que transporten sedimentos
hacia la presa
– Colocar una estructura de descarga para liberar corrientes de
turbidez
– La eficiencia se reducirá con el tiempo, a medida que el embalse se
llena de sedimentos
• Enfoque Operacional
– Corrientes de turbidez pueden descargarse a través de las turbinas
o compuertas inferiores
– No requiere vaciado del embalse
• Alicabilidad
– Tipicamente es el primer método a implementar
– Efieciencia varia dependiendo de la configuración del embalse

Agua turbia saliendo aguas
debajo de la presa
Agua Turbia entrando al
embalse
Agua clara en el embalse
Presa
Represa Dos Bocas,
construida en 1942
Corrientes de Turbidez
fluyedo a través del embalse
Dos Bocas, Puerto Rico

Descarga de Corrientes de Turbidez a través de las
Turbinas
Es posible pasar sedimentos finos a través de las turbinas sin causar daño. Sin
embargo, sedimentos gruesos son pueden ser pasados por las turbinas porque
causarán daños a estas.
Para prevenir tomas profundas, se pueden usar sifones para succionar
corrientes de turbidez de profundidades más bajas.
(A) Turbinando el corriente de turbiedad. (B) Descarga con aguas de crecida

Modificación de Medidas de Manejo de Sedimentos, a
Medida que Aumenta la Sedimentación
• Anticipar patrones de
sedimentación futuros y
estrategias de
mitigación
• Planificar para la
eventual
implementación durante
el diseño del proyecto

3-Remoción de Sedimentos
• Dragado
– Costoso
– Es difícil encontrar un lugar para disponer de los sedimentos
extraídos, para una fuente de sedimentos que nunca acaba
• Vaciado y Purga de Sedimentos
– Vaciado del embalse y socavación de los sedimentos
previamente depositados
– Descarga de agua con alta concentración de sedimentos puede
matar toda la biota aguas abajo
– Altos impactos aguas abajo, si no se maneja apropiadamente
– Solo
• Remoción de Sedimentos es Costoso
– Costos directos de operación, incluyendo mitigación ambiental
– Cost of foregone power production

Remoción Mecánica del Sedimento
Lago Pellejas, Puerto RicoLake Springfield, Illinois

Remoción Mecánica del Sedimento
• Excavación Seca
• Dragado Hidráulico
– Dragado Convencional– bomba abordo
• Succión Solamente (para sedimentos fluidos)
• Succión y Cortador (para sedimentos consolidados)
– Dragado Tipo Sifón (usa diferencia en carga
hidráulica para succionar sedimentos)
– Dragado por Bomba de Elevación de Aire
(excavación profunda pero menos eficiente)

Cortadores de la Draga
Lake Springfield, Illinois

Dragado en Bajo Anchicayá (Colombia)
Dragado continuo desde 1962 para mantener la bocatoma libre de acumulación de
sedimentos. Las dragas tienes motores eléctricos. Se descarga aguas debajo de la
presa.
Dragalinea Fija “Sauerman” para
sedimento grueso
Draga con motores eléctricos
Presa
(74 MW, 83 m3/s, 72 m head)

Draga Tipo Sifón
• Reduce los costos energéticos mediante la eliminación de la bomba, pero
la distancia máxima que puede descargarse el material es típicamente
menor a 2km debido a la fricción.
• Cuando el nivel del embalse se reduce, el gradiente hidráulico disponible
también se reduce.

Draga Sifón de 700 mm: Represa Valdesia, Republica Dominicana
Trabajo impedido por basura y troncos sumergidos

Descarga de
fondo para la
draga sifón Represa
Valdesia,
Republica Dominicana

Factores Críticos para Minimizar el Costo de
Dragado
La energía es el factor más determinante del costo
• Minimizar la velocidad de la tubería (se necesita mantener una
velocidad mínima para prevenir deposición en la tubería)
• Es necesario conocer el diámetro mayor a ser dragado.
• Velocidades bajas también redundan en una razón mas baja de
deterioro de bombas y tubería.
• Material d tubería debe ser apropiado para minimizar abrasión
(Plástico de alta densidad (hdpe) puede ser mejor que el acero)
• Usar draga más grande y eficiente
• Seleccionar un tamaño de draga apropiado para el trabajo,
basándose en la máxima eficiencia.
• Dragar a máxima eficiencia, no para completar cierta
configuración

Purga de Sedimentos a Presión
Puede utilizarse para mantener una bocatoma en
operación, pero remueve muy poco sedimento
Socavación provocada por la
apertura de la compuerta de fondo
mientras el nivel en el embalse se
mantiene alto

Patrón de Socavación Generado por
Purga de Sedimentos a Presión
La pendiente del cono de socavación será mas empinada en suelos arenosos,
y más suave en sedimentos finos

Cono de socavación semi circular en frente
de una bocatoma en Brazil, idéntico al
patrón teórico.
Angulo de Reposo aprox. Pendiente= 0.30
Cono de
Socavación
en Arena

Cono de Socavación Alongado
Pendiente = 0.02
Cono de Socavación en Limo y Arcilla

Vaciado de Embalse y Purga de
Sedimentos
• Vaciado de Embalse
• Socavación remueve sedimentos y son descargados a través
de una compuerta de fondo
• Duración: Días a Semanas
• Ventajas: en algunos casos puede recuperar parcialmente
volumen de almacenaje, pero usualmente retarda la
sedimentación
• Desventajas:
– Requiere grandes cantidades de agua
– Requiere tener el sistema fuera de operación durante la purga
– Altas concentraciones de sedimentos descargadas aguas abajo
– Efectividad limitada en muchos casos

Lago Yahuecas,
Puerto Rico
• No es fácil remover sedimentos
consolidados
• Se requirió trabajadores para excavar
un canal de socavación a través de los
sedimentos consolidados.

Full Reservoir Level
Ancho de
Canal pre-
embalse
Planicies sumergidas continuarán
acumulando sedimentos. Estos
depositos no son removidos por el
vaciado.
Flushing
Channel
Corrientes de turbidez depositan
sedimentos finos en el canal de
lavado, y estos seran
erosionados durante el siguiente
vaciado.
• Debido a que la razón de la descarga y capacidad de transporte estan
limitadas por la capacidad de las compuertas de vaciado, no será posible
erosionar todo el sedimento grueso depositado en el embalse.
La Purga de Sedimentos por Vaciado sovacará un
canal con ancho similar al cauce de río original
• Canal de lavado
ayuda a
transportar las
corrientes de
turbidez hacia la
presa

Sedimento Removido por Vaciado de
Embalse y Purga de Sedimentos
Compuerta de
Fondo

Compuerta de
Fondo
Boca Toma
El diseño original no consideró sedimentación, y
no localizó la bocatoma en la cercanía de la
compuerta de fondo, para que pudiese ser
mantenida libre de acumulación de sedimentos
durante el vaciado. Al momento se requiere
limpieza mecánica.

Boca Toma
Canal de Boca
Toma– Mantenido
Mecánicamente
Compuerta
de Fondo
Canal de Socavación
Canal de Socavación y Localización de Bocatoma
Localizando la bocatoma adyacente a la compuerta de fondo, hubiese facilitado la limpieza de
sedimentos acumulados en la cercanía de esta.

La bocatoma debe ser limpiada manualmente y mecánicamente. Si se
hubiese considerado la sedimentación durante el proceso de diseño, se
se tendrían que incurrir costos adicionales de operación.
Bocatoma limpiada
manualmente
Canal de Socavación

Represa Cachí,
Río Reventezón,
Costa Rica
Generación Hidroeléctrica

Represa Cachí, Costa Rica
Bocatoma localizado
adyacente a la compuerta
de fondo para facilitar
limpieza
Concentración Máxima
de Sedimentos=
400,000 mg/L.
La descarga aguas abajo
no es sufficiene para
erosionar todos los
sedimentos gruesosCompuerta
de Fondo

Medición de sedimentos aguas abajo de la presa durante
purga de sedimentos
El Congo, Río Reventezón, Costa Rica

Estación de Muestreo
El Congo, Río Reventezón, Costa Rica
Muestreador

Rio Reventezón
10 a.m.
(Agua Clara)
Rio Reventezón
5 p.m.
(Agua Turbia)

Durante Purga de Sedimentos– mirando
aguas arriba

Durante Purga de Sedimentos-
canal de socavación

Canal de socavación
durante vaciado
Embalse Cachí,
Río Reventezón,
Costa Rica
Toma y
Rejilla

Sedimento
saliendo de la
represa
Embalse Cachí,
Costa Rica

Balance Annual de Sedimentos
Represa Cachí
Note que no todo el sedimento puede ser expulsado por la purga
de sedimentos
Mecanismo de Descarga de Sedimentos
Balance de Sedimento
Tons/año Porciento del Total
Pasando a través de las turbinas 148,000 18
Depositado en terrazas sumergidas 167,000 21
Sedimento grueso atrapado 60,000 7
Depósitos de Corrientes de turbidez
removidos por eventos de purgas
432,000 54
Total 807,000 100

Serie de tiempo del patrón típico de
concentración de sedimentos aguas debajo
de la presa durante purga de sedimentos.

Mitigación Ambiental
• Es una tema de investigaciones,
particularmente en Europa y Japón
• Llevar a cabo el vaciado cuando hay amplia
flujo disponible para dilución
• Llevar a cabo múltiples vaciados, cada uno con
un menor cantidad de sedimento, en vez de
eventos infrecuentes con más sedimento
• Evitar descargas de sedimentos durante
periodos de mayor sensitividad biológica

Datos de Campo y Monitoreo
• Estudios Batimétricos
– Volumen disponible en el embalse
– Luego de varios estudios se puede establecer la tasa de sedimentación
– Es esencial mantener una consistencia en metodologia en los estudios
de batimetría.
• Muestreo de Sedimentos
– Gradación de sedimentos en el embalse
– Monitoreo del avance de la arena
– Equipo de muestreo VIBRACORE
– Costo-efectivo y fácil de implementar
• Estudios Especiales

Estudios Batímetricos
• La pérdida de capacidad no es uniforme en el
tiempo
• Mucho oportunidad para error en los estudios
batimétricos
• Necesidad de utilizar metodología consistente
• Requiere varios estudios para determinar tasa
de sedimentación de manera confiable
• Existe potencial de eventos catastróficos que
aportan mucho sedimento

Variación en datos de batimetría(Porce II)
200
205
210
215
220
225
230
235
0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144
TOTALVOLUME(Mm3)
MONTHS SINCE INITIAL FILLING
Nov. 2007
Feb. 2001
Feb.2012
Nota: En la etapa de diseño se había es mado la tasa de
pérdida de volumen en 3.75 Mm3/año.
?
?

Problema debido a Cambio en
metodología (Sistema Cutzamala, México)
0"
50"
100"
150"
200"
250"
300"
350"
400"
450"
1940" 1950" 1960" 1970" 1980" 1990" 2000" 2010" 2020"
Volume'(Mm3)'
Year'
Valle"de"Bravo"
El"Bosque"
El aumento en volumen representa errores de medición

Estudios Batimétricos,
Represa Nurek, Tajikistan
• Información más Relevante
– Localización y avance del delta
– Elevación de los sedimentos en la cercanía de la bocatoma
– Volumen de almacenaje disponible

Interrogante: Por cuanto tiempo podrá funcionar la central hasta
que su operación sea imposibilitada por la sedimentación.
Pérdida en Capacidad
50% de Volumen @ 52 años
Represa Peligre, Haití

Tasa de Pérdida de Capacidad no es Siempre Constante
0.01%
0.10%
1.00%
1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020
AVERAGERATEOFANNUALSTORAGE
LOSS(%/year)
SURVEY YEAR
Wister
CantonFACTORES:
• Consolidación del
sedimento con el
tiempo
• Reducción en el
rencimiento de
sedimento
• Reducción en eficiencia
de atrapar sedimento
Data from reservoirs in Kansas, Oklahoma, y main stem Missouri River (red)

Muestreo de Sedimentos utilizando equipo VIBRACORE,
Represa Urrá, Colombia
Tripode
Polea Eléctrica
Tubo de Muestreo de
3m
VIBRACORE

Barrenos en sedimentos finos
Muestreando hasta 60 m de profundidad (La Esmeralda, Colombia)
Motor Vibrador
Flotas sumergidas
mantienen el
barreno vertical
Winche
Tubo del barreno
Extrusión del
barreno

Muestra de Sedimento
@ 50 metros de
profundidad
Muestreo de Sedimentos

Muestra tomada en la cercania de la bocatoma.

Modelación Númerica
Modelación Matemática
• Análisis de la progresión de la sedimentación a largo plazo
• Define el tiempo en el que se necesitará la implementación de
medidas de control de sedimentación
• Evalúa diferentes escenarios operacionales para optimizar las
operaciones de manejo de sedimento
• Evalúa reglas operacionales con respecto a la generación de
energía
Modelos de 1-dimensión (simulaciones de 100 años)
Modelos en 2-dimensión (simulaciones con mayor detalle)
• Mayor detalle de simulación requiere mayor dato de calibración

Efecto de niveles operacionales en el
avance del delta
Nivel Operacional constante Nivel Operacional sube con el tiempo

Optimización de la Operación del Sistema
Modelo Matemático: Embalse La Esmeralda, Colombia
(SRH-1D, USBR)
Operacional Actual
2042
20122027

Optimización de la Operación del Sistema
Modelo Matemático: Embalse La Esmeralda, Colombia
(SRH-1D, USBR)
Incrementación gradual del nivel mínimo operacional
2042 2012
2027
2072

El diseño detallada de las obras
pueden requerir modelación físico

La operación sostenible es un alternativa
deseable y viable,
pero requiere acción con anticipación

Gregory L. Morris
gmorris@glmengineers.com
www.glmengineers.com
PDF of 748 page book
Reservoir Sedimentation Handbook
McGraw-Hill Book Co., New York
www.reservoirsedimentation.com
Referencia disponible en formato PDF

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