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IAHR APIHA
XXVII CONGRESO LATINOAMERICANO DE HIDRÁULICA
LIMA, PERÚ, 28 AL 30 DE SETIEMBRE DE 2016
INVESTIGACIONES EN MODELO FISICO PARA LA OPTIMIZACIÓN
DEL PROYECTO DE CIERRE DEL RIO CARONÍ EN TOCOMA,
VENEZUELA
Fabiola Vera (1)
, Gonzalo Montilla (2)
, Arturo Marcano (3)
(1) Departamento de Hidráulica de CORPOELEC, Venezuela, [email protected]
(2) Departamento de Hidráulica de CORPOELEC, Venezuela, [email protected]
(3) Asesor Consorcio DECOYNE, Venezuela, [email protected]
RESUMEN:
Para la construcción de las obras del Proyecto Tocoma, que aportará 2160Mw al sistema eléctrico
venezolano, el río Caroní fue desviado en dos etapas. La primera etapa finalizada el año 2011
permitió la construcción en seco de las obras principales del proyecto mientras el río Caroní era
desviado por la margen derecha. La segunda etapa de desvío del río consiste en transitar el río
Caroní por los 18 ductos de 5,5x9 m ubicados en el cuerpo inferior del Aliviadero que serán
eventualmente cerrados con compuertas, el llenado del embalse y con ello, las pruebas de la
primera unidad. En el modelo hidráulico a escala 1:80 del Proyecto Tocoma construido en las
instalaciones del Laboratorio de Hidráulica de CORPOELEC se realizaron los ensayos para
determinar y optimizar el mejor esquema de desvío incluyendo las investigaciones del cierre final
del río. Se ensayó el esquema de cierre vertical simple (con una ataguía) y el cierre vertical doble
(con dos ataguías). Las investigaciones permitieron definir el cierre doble como la mejor
alternativa, por cuanto se redujo el peso de los materiales a utilizar durante el cierre. En este trabajo
se presenta los resultados de la comparación entre ambos métodos, y la experiencia de prototipo
obtenida durante las operaciones de cierre. Se demuestra la valiosa utilidad de los estudios de
modelo para optimizar el uso de los materiales y equipos de construcción en cierres de ríos.
ABSTRACT:
Tocoma Project on the Caroní River located at South-eastern Venezuela, presently under
construction will add 2160MW to the Venezuelan electrical system. First Stage of river diversion
completed in April 2011 permitted the construction of the main works in the dry, while the Caroní
River was diverted at right bank. Second stage of river diversion consisted of routing the Caroní
River by using 18 sluices of 5,5x9m dimensions placed at the lower body of the spillway that will
be closed by using gates. The reservoir will be impounded, and the first generation unit be
commissioned. In the physical model built to 1:80 Scale of Tocoma Project at Hydraulic Laboratory
of CORPOELEC, investigations were done to determine and optimize the diversion scheme for the
project, including the river closure. River end dump method, single and double was tested in the
physical model and results obtained were compared. Double closure resulted in reducing the weight
of the rock elements required to close the river. This paper present the comparison of both methods
and their evaluation based on the world experience methodology used in large river closure
operations, and the prototype experience gained during Tocoma actual closure and the invaluable
usefulness of physical modelling to optimize this process.
PALABRAS CLAVES: Modelo Físico, Cierre de río, Construcción de Ataguías.
INTRODUCCIÓN
El Proyecto Manuel Carlos Piar (Tocoma) actualmente en construcción, con los Proyectos
Simon Bolívar (Guri), Antonio José de Sucre (Macagua) y Francisco de Miranda (Caruachi),
conforman el Desarrollo Hidroeléctrico del Bajo Caroní, al Sureste de Venezuela y añadirá un total
de 12.600 Gwh de energía promedio anual que se incorpora a los 76.440 Gwh ya instalada, lo que
constituye el desarrollo mas importante de Venezuela y uno de los mas importantes del planeta. En
el sitio de Tocoma, el río Caroní se expande a un ancho de aproximadamente 3.000 m. El caudal
promedio, máximo y mínimo es de 4.824,17 y 188 m3/s. El Proyecto incluye (Figuras 1 y 2A) una
casa de Maquinas con tomas integrada, equipada con 10 Unidades del Tipo Kaplan, una presa de
gravedad de, una presa de tierra y roca de 1.800 m de largo y 60m de altura (margen derecha) y una
presa de roca con pantalla de concreto de 3.800 m y 50 m de altura (margen izquierda). El
Aliviadero consiste en una estructura de doble cuerpo provista de 9 compuertas radiales de
15.24x21 m con capacidad para un caudal total de 28.750 m3/s en su parte superior y un cuerpo
inferior con 18 ductos de 5,5x9m diseñados para transitar el caudal máximo de desvío, estimado en
14.000 m3/s (Figura 3).
Figura 1.-Proyecto Tocoma- Principales Obras
Para la construcción de las obras que conforman el Proyecto Tocoma se contempla que el
Río Caroní sea desviado, parcialmente, de su cauce natural en dos etapas. En la primera etapa
iniciada en 2003, el río fue encausado hacía la margen derecha (Figura 2), mediante la
conformación de las Ataguías A1, A3, A4 y Anillo A6, las cuales permitieron la construcción en
seco de la Casa de Máquinas, el Aliviadero, la presa izquierda y parte de la presa derecha.
Figura 2.-Proyecto Tocoma- Primer Desvío. A- Planta General, B- Boquete de Desvío
A B
A6 A4
Con la apertura del primer ducto, ocurrida el 05 de Abril de 2011 se da inicio a la segunda
etapa de desvío que contempla en su fase final el cierre del río Caroní y su encauce total a través de
los 18 ductos ubicados en el fondo del Aliviadero (Figura 3). Posteriormente, una vez construidas
las obras principales a su cota final, se prevé el cierre de los 18 ductos lo que permitirá el llenado
del embalse y la progresiva puesta en marcha de las unidades generadoras.
Figura 3.-Proyecto Tocoma- Aliviadero de Doble Cuerpo
ESTUDIOS DEL DESVÍO DEL RÍO EN EL MODELO FÍSICO
El comportamiento de todas las estructuras hidráulicas del Proyecto Tocoma bajo
condiciones de operación temporales y de operación normal fue optimizado por medio de extensas
investigaciones realizadas en un Modelo Físico Tridimensional a Escala natural, 1:80 (Figura 4),
construido en el Laboratorio de Hidráulica de CORPOELEC-EDELCA.
En el modelo, diseñado y operado bajo la Ley de Similitud de Froude se representó un área
de 1.140 m2 (7.296.000 m
2 en prototipo). Construido en concreto con representación de la rugosidad
del fondo del Río Caroní, obtenida mediante calibración con mediciones de prototipo, el modelo
constituyó la herramienta principal para definir el alineamiento, ubicación, elevación de la cresta, y
protecciones requeridas por las ataguías de primera y segunda etapa de desvío, incluyendo la
optimización del cierre final del río, una de las actividades más críticas del proyecto.
Figura 4.- Proyecto Tocoma- Ensayos de primer desvío en el Modelo Hidráulico Esc. 1:80
Las investigaciones de cierre final del río se iniciaron con ensayos de diferentes anchos de
boquete de desvío asociados a un alineamiento de las Ataguías con el fin de optimizar su diseño
desde el punto de vista hidráulico y geotécnico. En una segunda etapa los ensayos se enfocaron en
optimizar la ubicación del sitio del cierre final, su grado de dificultad, cantidad y peso del material
requerido.
Todos los cierres de río importantes en el mundo se han llevado a cabo por uno de los
siguientes métodos, (ICOLD, 1986): cierre horizontal que implica colocar los materiales
uniformemente a lo largo de la brecha de cierre en el lecho del río, y cierre vertical que consiste en
avanzar con la construcción del dique partiendo de una orilla o de las dos hasta que se cierra la
brecha. Dependiendo del desnivel a vencer en el cierre de un río se puede optar por el uso de una
(cierre simple, desniveles hasta 3.5m) o más ataguías (cierre múltiple, desniveles > 3,5m). Un caso
destacado es representado por el Proyecto Xingó en Brasil (Figura 5) donde fue necesario el uso de
tres ataguías para vencer un desnivel total cercano a 10m (CIGB ICOLD, 2009).
Figura 5.- Proyecto Xingó cierre múltiple con tres ataguías
Dentro del proceso de optimación del cierre del río para el Proyecto Tocoma, se resaltan a
continuación, las configuraciones estudiadas de tipos de cierre vertical simple (con una ataguía) y
cierre vertical doble (con dos ataguías).
EVALUACIÓN DEL GRADO DE DIFICULTAD DEL CIERRE
A nivel mundial se han usado diferentes métodos empíricos para la estimación de las
características principales de los cierres de río, los ensayos sobre modelo son considerados
representaciones bastantes buenas de las condiciones hidráulicas tales como niveles de agua y
velocidades, aunque con menos precisión permiten definir el peso de los materiales necesarios.
El concepto de la Potencia Específica (Ps Ton.m/s/m) es usado para determinar la energía
potencial producida por la corriente por metro lineal, y viene dada por la expresión [1]:
Ps ═ ρQboq Δh/ (Bboq1000) [1]
Donde: ρ = Densidad del agua (Kg/m3), Qboq = Caudal del agua (m
3/s), ΔH = Desnivel en la punta
de la Ataguía (m), B boq= Ancho del Boquete (m). Mediante la ecuación [1] es posible predecir el
grado de dificultad que se producirá durante la operación del cierre del río (ICOLD, 1986). A su
vez, la Potencia Específica se asocia a un peso de roca mediante la expresión:
Peso = ( Ps*g)1/2
[2]
Donde: g es la aceleración de gravedad (m/s2). Asi, el uso de las ecuaciones [1] y [2] permiten
estimar los tamaños de roca necesarios para el cierre del río, para condiciones hidráulicas
conocidas.
Otros autores (ICOLD, 1986) han propuesto métodos alternativos para determinar el tamaño de roca
requerida para una condición de cierre hidráulico determinado (Tabla 1).
Tabla 1.- Pesos de los materiales necesarios para un cierre vertical (densidad 2,4 Ton/m
3)
ICOLD, 1986
ΔH(m) 0,5 1 2 3 4
W(Ton) 0,07 0,5 4 20 50
La experiencia brasilera (enfoque Izbash 1959) determina el tamaño de las rocas mediante la
ecuación [3].
V = 4,38(D)1/2
[3]
Donde V es la velocidad flujo en la punta de avance de la ataguía (m/s), D es el diámetro de roca
requerida (m). Es por ello que se considera necesario comparar los resultados para distintos
métodos extraídos de la experiencia mundial.
CIERRE VERTICAL SIMPLE
Partiendo de la excelente experiencia obtenida en el cierre del río Caroní en Caruachi
(Castro C.,et alia, 2006) se plantea el estudio del cierre del Proyecto Tocoma mediante el método
del cierre vertical simple aplicado a dos alternativas planteadas para avanzar desde la margen
derecha con ubicación aguas abajo (Figura 6A) y aguas arriba (Figura 6B). El objeto principal
consistió en determinar la Ataguía de cierre con mejores condiciones hidráulicas en cuanto a
velocidad y desnivel para un caudal constante de 5000m3/s y 18 ductos de desvío abiertos. Se
midieron niveles y velocidades en la punta de avance, se estimó la distribución de caudales entre el
boquete de desvío y los ductos durante el proceso de cierre.
Figura 6.- Esquema de cierre vertical simple. A- con Ataguía D2, B- con Ataguía C2
Como resultado principal se obtuvo que, en general, el comportamiento hidráulico de ambas
alternativas fue similar en cuanto a velocidades y desniveles, sin embargo se consideró que la
alternativa de cierre aguas arriba con la Ataguía C2 era la mejor opción por ofrecer mayores
ventajas desde el punto de vista constructivo. Las condiciones mas severas se presentaron para una
apertura de cierre de 20m, cuando se midieron velocidades de 6,8m/s y un desnivel de 3,5m, una
Potencia Especifica del flujo, Ps de 117 Ton.m/s/m, lo que permite estimar el peso de 34 Ton,
requerido para esta etapa del cierre.
A B
CIERRE VERTICAL DOBLE
En esta etapa de estudios, El Contratista plantea la optimización del cierre del río con la
construcción simultánea de las Ataguías C2 y D2, o cierre doble (EDELCA, 2010) con lo cual se
logra que se distribuya el desnivel total en dos partes, resultando en condiciones menos severas en
la punta de avance de la Ataguía de cierre, comparada con las que se obtienen del cierre simple. Por
la logística que se presentaba en la obra, en particular con los trabajos que retrasaron la apertura de
los ductos de desvío, se concibe el avance del cierre doble en dos fases: la Fase I (Figura 7)
consistió en la construcción anticipada de la Ataguía D2 desde la margen izquierda y con los 18
ductos cerrados, con el objeto de situar el boquete de cierre en la Ataguía D2 fuera del alineamiento
del flujo de agua proveniente del boquete de la Ataguía C2 en la fase final de la operación de cierre.
Estas condiciones fueron ensayadas en el modelo físico, para un caudal total de 5.000 m3/s. Como
criterio principal de estabilidad del material, se limito el tamaño máximo de éste a 2m, con lo cual
se logro un avance de hasta 150m de la Ataguía D2. Para longitudes mayores de 150m se apreciaba
perdida de estabilidad de los bloques.
Figura 7.- Fase I. Construcción de Ataguía D2 desde Margen Izquierda
La Fase II consistió en la construcción simultánea de las Ataguías C2 y D2, desde margen
derecha, considerando el desvío del río entre el boquete de cierre y los 18 ductos de desvío abiertos
(Figura 8), con el objeto de evaluar la viabilidad y el beneficio del cierre del río con la construcción
simultanea de dos ataguías.
Figura 8.- Esquema de las obras de desvío durante el cierre doble
Los avances de las Ataguías se realizaron con un caudal total de 5000 m3/s distribuidos entre el
boquete de cierre y los 18 ductos, hasta que la diferencia de nivel obtenida aguas arriba y aguas
abajo (puntos de medición de nivel ubicados en la misma ataguía) fuera de 1,5m lo cual se
consideró como un criterio clave del diseño del cierre doble (Figura 9).La aplicación de esta
metodología en modelo demostró beneficios importantes como la reducción del desnivel en la
Ataguía C2 hasta 1m, con respecto al esquema de cierre simple.
Figura 9.- Esquema de secuencias cierre vertical doble, con Ataguías C2 y D2
COMPARACIÓN DE ALTERNATIVAS Y MÉTODOS DE ESTIMACIÓN DE TAMAÑOS
DE ROCA
Para los estudios del proyecto Tocoma, realizados en modelo físico, fue necesario comparar
los requerimientos de roca para la Ataguía C2 por distintos métodos indirectos, previamente
descritos en este trabajo, basados en la experiencia mundial como la práctica en la antigua USSR,
las recomendaciones de ICOLD para cierres sin pérdida de material y la experiencia de Brasil
(ICOLD, 1986), tanto para el cierre simple como para el cierre doble (Figura 10). La tendencia de
las curvas para el cierre simple, por los tres métodos, muestra que para aperturas de boquetes
menores de 100m los requerimientos de peso de roca aumentan con una exigencia mayor, a
diferencia del cierre doble donde esto ocurre para boquetes menores de 50m.
Figura 10.- Peso de Roca Requerido para el cierre final, considerando cierre
doble y simple y estimaciones de formulas diferentes
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EXPERIENCIA MUNDIAL ICOLD RECOMENDACIONES ICOLD (Sin arrastre de material) EXPERIENCIA BRASILEXPERIENCIA MUNDIAL ICOLD RECOMENDACIONES ICOLD (Sin arrastre de material) EXPERIENCIA BRASIL
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Cierre Doble
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29/03/12 10/04/12
Para el método que considera la potencia específica (USSR) no se aprecia diferencias notables en el
peso de roca para los dos métodos de cierre, 34Ton Vs 30 Ton. La evaluación usando la
experiencia de ICOLD para cierres sin considerar pérdidas (Tabla1) muestra pesos de roca de 32 y
10Ton para cierre simple y cierre doble, respectivamente. La estimación bajo la experiencia de
Brasil (Izbash), demostró resultados mucho mas optimistas para un boquete crítico de 20m, con
pesos de roca de 20 y 6Ton para el cierre simple y cierre doble, respectivamente. Evidentemente
existen diferencias marcadas entre los tamaños determinados para una misma condición de cierre
del río con las distintas ecuaciones de estimación, sin embargo los resultados muestran que el cierre
simple tiene requerimientos de tamaños de rocas mayores que el cierre doble, en los tres métodos
de estimación empleados.
CIERRE EN EL PROTOTIPO
El programa de cierre final del río se llevo a cabo con éxito entre el 04 y el 28 de Abril de
2011, en estricto cumplimiento en cuanto a la secuencia de avance de las ataguías de acuerdo al
diseño optimizado elaborado en modelo hidráulico con la excepción de que solo se abrieron 16
ductos. Durante la ejecución de los trabajos de cierre, se llevó a cabo el monitoreo de los niveles del
agua en el área del proyecto (Figura 8). La Figura 11 muestra el reporte de los caudales horarios
totales llegando al sitio, los niveles del agua en la zona aguas arriba del aliviadero (I-2 Figura 8) y
la secuencia de apertura de los 16 ductos de desvío. El caudal promedio total fue de 4551m3/s con
picos horarios de hasta 6000m3/s. Es importante destacar la reducción de caudal total que ocurrió
entre el 18 y el 24 de Abril, producto de la disminución de la demanda energética en la Central
Hidroeléctrica Guri en días de asueto de Semana Santa. Sin embargo, durante esta reducción los
niveles se mantuvieron relativamente constante aguas arriba del proyecto (95 msnm) debido a la
reducción del boquete de la ataguía C2 de 105 a 70m.
Figura 11.- Proyecto Tocoma - Inicio de Segunda Etapa de Desvío y Cierre Final del Río
La Figura 12 muestra las mediciones de niveles en la punta de avance de las ataguías C2 y D2
durante todo el proceso de cierre final del río, es interesante notar que se mantuvo el criterio de
desnivel máximo por ataguía de 1,50 m, con excepción del los últimos 50m donde el desnivel, en la
punta de avance de la ataguía C2 se incrementó.
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)Caudal Total en Tocoma
Nivel Aguas Arriba Tocoma
04/04 12/0410/0408/0406/04 14/04 24/0422/0420/0418/0416/04 30/0428/0426/04
2D 3D 4D 6D 7D 8D 11D
10D
9D 12D15D
14D
13D
16D
Boquete de Ataguía C2 (m)
Fecha
320 220235270310 185 759090105140 040
Cierre Final del RíoInicio de Segundo Desvío
5DCaudal Promedio 4551m3/s
Figura 12.- Desniveles en la Punta de las Ataguías, A-Ataguía C2, B-Ataguía D2
La máxima carga diferencial total entre las dos Ataguías principales fue de 3,83m, distribuidas en
3,10m por la Ataguía C2 y 0,73m por la Ataguía D2, para los boquetes de 36 y 30m
respectivamente el día 27 de Abril. Para estas condiciones el caudal en el boquete fue muy bajo y
no hubo necesidad de recurrir a rocas de tamaño especial (pesos mayores a 17 Ton). Gracias a un
excepcional monitoreo de las fases del cierre en prototipo se pudo lograr una exitosa correlación
posterior.
Figura 13.- Esquema de cierre con Ataguía C2, cierre vertical doble,
brecha final en Ataguías C2 y D2
CONCLUSIONES
Se corrobora la gran utilidad del modelo físico para la evaluación preliminar, el diseño final
y apoyo a la construcción de las obras de desvío, en especial para la ejecución de los trabajos de
optimización del cierre final.
La comparación de las estimaciones del peso de los elementos de cierre por las diferentes
formulas empíricas que fueron alimentadas por datos del modelo físico, igualmente permitieron
comparar el grado de dificultad de de las diferentes alternativas de cierre. Las opciones de cierre
doble siempre arrojaron opciones más favorables a las asociadas al cierre simple.
Ataguía C2
Ataguía D2
Ataguía C2
Ataguía D2
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Δ - Desnivel entre D2 y D4
Δ - Desnivel Caudal Total Tocoma
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Δ-
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Δ - Desnivel entre D2 y D4
Δ - Desnivel Caudal Total Tocoma
10-04
Fecha
15-04 20-0405-04 25-04 30-04
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Δ - Desnivel entre D6 y D8Δ - Desnivel Caudal Total Tocoma
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Fecha
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De
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)
Δ - Desnivel entre D6 y D8Δ - Desnivel Caudal Total Tocoma
10-04 15-04 20-0405-04 25-04 30-04
Fecha
Cau
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m3/s
A B
El esfuerzo del monitoreo permanente de los desniveles en las puntas de avance de ambas
ataguías durante el proceso de cierre contribuyó acertadamente en la toma de decisiones. El hecho
de mantener el desnivel máximo en 1,5m en las puntas de avance de las ataguías permitió al
Contratista el uso de material de la cantera normal con pesos de roca de hasta 17Ton.
En la obra, muchas condiciones cambian como producto de la dinámica de construcción, los
equipos, los materiales disponibles, los caudales de aporte, lo que requiere ajustes a condiciones de
campo diferentes. El éxito del Contratista en obtener las mejores condiciones de cierre se debió a
guiarse de los estudios del esquema optimizado en el modelo físico.
REFERENCIAS
International Commission on Large Dam (1986). “River Control During Dam Construction”, Bulletin 48.
C.V.G Edelca, Departamento de Hidráulica (2010). “Proyecto Tocoma. Optimización del Cierre del Río
Caroní en Tocoma, Modelo Hidráulico a Escala 1:80”.
CIGB ICOLD (2009). “Diversion of Large Brazilian Rivers”. Brazilian Committtee on Dams.
Marcano, A., Campero, P., Paris, J (2010). “Manuel Piar Hydroelectric Powerplant-Tocoma Project,
Hydropower Lisbon, Portugal.
Montilla, G., Martínez, E., Marcano A., (2010). “Tocoma Hydroelectric Project”, Spotlight, Newsletter
Vol. II, Section of Hydraulic Structures, IAHR.
Castro, C., Montilla, G., Patiño, P., Martínez, E. (2006). “Caroní River Closure at Caruachi Correlation
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