Manejo de Sedimentos en Sistemas Hidroelctricas

Colegio de Ingenieros, Lima, Per 21 de febrero de 2013

Dr. Gregory L. Morris, P.E.

San Juan, Puerto Rico www.gmaeng.com

Represa Romana (Harbaque, Sria). Abandonado ms de 1000 aos y los sedimentos an estn intactos.

Clases de Impactos Debido a los Sedimentos

IMPACTOS EN LA CASA DE MAQUINAS Erosin de las compuertas Erosin de las turbinas Obstruccin del sistema de enfriamiento IMPACTOS EN EL EMBALSE Prdida de capacidad Obstaculizacin de la bocatoma Abrasin de obras hidrulicas Acumulacin en conductos

Los sedimentos normalmente ocasionan la abrasin gradual de los equipos hidromecnicos

Pero en casos extremos pueden ocasionar daos catastrficos

Abrasin turbina Francis

Abrasin de wicket

Una abrasin catastrfica ocurri cuando el embalse fue operado a un nivel bajo durante una crecida, lo cual socav arena desde la zona de delta y lo llev hacia la bocatoma. La central estuvo fuera de servicio 25 das para reparacin. Despus se estableci un sistema de monitoreo de la concentracin de sedimentos.

1180

1200

1220

1240

1160

1140

1120

1260Max. Operating Level 1277 m

Delta, coarse sediment, will destroy turbines

Turbidity current deposits. Fine sediments, can pass

thru turbines

100 km upstream of dam 5 15 20

Profile 2010Profile 2006Profile 2004Profile 2002Profile 1997

Min. Operating Level 1190 m

Ejemplo de erosin de elementos en unidades pelton de 125 MW c/u con 800m de carga

Vlvula esfrica 6 vlvulas de aguja Turbinas Pelton

Vlvula de aguja en buen estado

Deflector Aguja Asiento del vlvula

Desgaste luego de 10,000 horas de operacin normal

Patrn de desgaste superficial sobre la aguja

Desgaste en el punto de cierre contra el asiento de la vlvula

Desgaste ocasionado en

Desgaste del asiento del vlvula en

Alternativas: instalar estructura para elevar el nivel de la bocatoma para evitar la entrada de

sedimento

3

Sequence of the advance of delta deposits over the top of fine sediments.

1

2

Fine sediments deposited by turbid density currents

Max. Pool

Min. Pool

La vida til del embalse se puede prolongar al pasar sedimento fino por las turbinas, para as maximizar el volumen disponible para atrapar

arena y posponer la llegada de arena a la bocatoma. Aumenta el nivel mnimo operacional con el tiempo para atrapar arenas aguas arriba en

el embalse.

3

Sequence of the advance of delta deposits over the top of fine sediments.

1

2

Fine sediments deposited by turbid density currents

Max. Pool

Min. Pool

Factores que influyen la tasa de abrasin

Factores No podemos controlar

Factores SI podemos controlar

Concentracin y tamao de sedimento en el ro

Tamao mximo entregado a las turbinas

Minerologa (dureza y angularidad del sedimento)

Dureza superficial (revistida)

Carga hidrulica Deseo de turbinas y otras componentes

Escala Mho: Dureza de acero en turbinas 4.7 Dureza cuartzo 7.0

Estrategias para Minimizar el Desgaste Factoes SI podemos controlar

Estrategias de Control

1. Diseo de turbinas y otras componentes

Seleccionar diseo de turbinas que reduce la abrasin

Disear partes sujeto a desgaste para facilitar su re-emplazo

2. Tamao mximo de sedimentos que llegan a las turbinas

Optimizar la configuracin de la bocatoma para reducir entrada de sedimento

Optimizar diseo y operacin de desarenador para maximizar eficiencia de remocin (ej. eliminar corte-circuito hidrulica)

Reducir caudal durante crecidas con alta concentracin de sedimento

En embalses, controlar nivel mnimo operacional

3. Dureza del superficie del metal

Aplicar revistimiento a la turbina

El tamao mximo del grano de sedimento es un parmero MUY importante

Tasa de erosin del metal es proporcional al nmero de golpes por los granos (la concentracin de sedimentos en suspensin)

Tasa de erosin es proporcional al momento de particula que golpea el metal (masa x velocidad) La masa de la particulada es proporcional su volumen Volumen de un esfera = 4/3 (d/2)3

Erosin se relaciona al CUBO DEL DIAMETERO

La concentracin de los granos de mayor tamao es el factor de mayor importancia en el control de la abrasin del metal.

Bocatomas Filo de Agua

Teora de un Tanque de Sedimentacin 1. La zona de sedimentacin tiene flujo paralelo y uniforme. 2. Las zonas de turbulencia en la entrada y salida no son parte de la

zona de sedimentacin.

Zona Almacenaje de Sedimentos

Zona de Entrada

Zona de Salida

Zona de Sedimentacin

Partculo con 100% de remocin bajo condiciones ideales

Compuerta de purga

Compuerta flujo ambiental

Azud y toma

1

2

3

4

5

5 entradas en la bocatoma

Rejilla #1

Mucho flujo

Rejilla #5

Poco flujo

Patrones de Flujo Observados

Salida

A - Tanque con mayor flujo

B - Tanque con menor flujo

Curva en canal de entrada diriga mayor flujo al tanque A que el tanque B

Flujo alta velocidad establece corrientes y recirculacin del flujo, reduciendo el tamao de la zona de sedimentacin.

Sobrande del fluijo descargada al ro

Mayor flujo Menos flujo

Flujo no es dividida igualmente entre los dos tanques de sedimentacin

Canal con curva

Divisin de flujo entre los dos tanques de

sedimentacin no es igual

Mayor flujo Menor flujo

Alta turbulencia en desarenador

Recirculacin de flujo Flujo concentrato en el lado derecho del tanque

Salida del tanque El exceso del flujo se descarga despus del tanque de sedimentacin, resultando en una sobrecarga del desarenador y reduccin en la eficiencia de remocin.

Material atrapado en el desarenador

Consecuencias de una pobre operacin del desarenador: la turbina fue daada en su primer ao de operacin

Salida de sedimento por el eje

Sedimento acumulado en el piso de la casa de mquina

Patrn de flujo observado (La Vuelta) Entrada no es centralizada en el tanque

Efecto de una Barrera Permeable en mejorar la distribucin del flujo

Pobre Condicin Hidrulica (turbulencia y vortices)

Barrera Permeable

Condicin Deseada(flujo uniforme y paralela)

Utilizacin de barrera permeable para mejorar la distribucin del flujo en la entrada del tanque.

Requiere prdida de energa para romper y distribuir el chorro de flujo del canal de entrada

Desarenador Marsyangdi Bajo (Nepal)

Desarenador Marsyangdi Bajo Al ubicar el vertedero en el lado derecho, se distorciona el flujo hacia la

derecha y crea zona muerta en el lado izquierdo.

Zona Muerta

Bocatoma

Hacia Turbinas

Vertedero de Salida - Sumergida

Compuerta de Purga

Flujo est dirigido hacia la derecha del sedimentador debido a la localizacin de vertedero de salida.

Espacio muerto - volumen inefectivo para el proceso de sedimentacin

Alas sumergidas para orientar flujo

Sedimentacin de Embalses Embalse Camar, Venezuela: totalmente sedimentado en 14 aos.

Sedimentos y la Sostenibilidad de los Embalses

Nuestro sociedad es hidrulica depende de grandes cantidades de agua. Sobre 80% de los usos consumptivos son para producir alimentos, y 20% de la electricidad a nivel mundial proviene de hidro.

Los embalses son una clase de infraestructura nica en cuanto que depende de una combinacin favorable de factores de hidrologa, topografa, geologa y uso de terreno.

Se puede re-construir la represa, pero no el embalse. Son pocos los sitos para embalses, y no estn fabricando ms sitios.

Una vez sedimentado un embalse, es muy deficil y costoso recuperar la capacidad perdida, particularmente para las embalses ms grandes.

OBJETIVO: Permitir la operabilidad de la infraestructura de los embalses por un tiempo indefinido mediante el manejo de la sedimentacin.

Escorrenta anual Volumen embalse Capacidad:influjo =

Cuenca no-embalsada

Embalse

Cuales embalses tendrn problemas ms rpidos? 1. Embalses de menor tamao hidrolgico 2. Cuencas con mayor tasa de erosin y rendimiento

de sedimento

El tamao hidrolgico se representa por la razn Capacidad:Influjo

Curva Brune: Indica el porcentaje del sedimento atrapado por un embalse de operacin convencional. En general, los embalses son muy eficientes en atrapar sedimentos.

Cuando se experimentan problemas por la sedimentacin?

En general, con la prdida de 50% de la capacidad el embalse va a tener serios problemas para cumplir su funcin de su diseo original.

Muchos embalses experimentan problemas al perder muy poca capacidad si la sedimentacin est enfocada en zonas crticas.

Ejemplo: Corrientes de turbiedad que depositan sedimentos a la zona de la toma.

Muchos embalses experimentan tasas de sedimentacin mayor que lo anticipado en el diseo original.

Estudios Batimtricos: Determinar la Tasa de Sedimentacin Determinar patrn de sedimentacin (Embalse El Cajn, Honduras)

Curvas de volumen y rea: Problema del nivel de precisin de los datos

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Patrones de Sedimentacin: Zonas de deposicin

Material grueso en la delta Material fino aguas abajo de la delta Vara mucho de un embalse a otro

Consecuencias Prdida de capacidad Obstruccin de compuertas y tomas Gasto de equipo por turbinar agua con sedimentos (nogami eqn.) Problemas aguas abajo del embalse Problemas aguas arriba de delta

Patrones de Deposicin de Sedimento

Depsito por corrientes de turbiedad (material fino)

Depsito de fondo (material fino)

Depsito en delta (material grueso)

Delta con sedimento fino Emblase Playas, Colombia

Delta con sedimento grueso Embalse Yeso, Chile

ARENA (transportada por crecida)

FINOS

FINOS

Los sedimentos no son uniformes, particularmente en la zona cercana a la delta

Embalse Folsom, California

Depsito de Sedimentos

Finos cercano a la represa

Embalse Sri Rama Sagar, Andhra Pradesh, India

Lago Prieto, Puerto Rico

El sedimento fino llena primero la parte mas profunda de la seccin transversal, creando as un lecho llano.

Acumulacin de Sedimento

Lecho Sedimentado es horizontal

Elev. vertedero

Fondo original

Embalse Elephant Butte, New Mexico, USA

Corriente de Turbiedad Puede crear un lago de fango y depsitos horizontales

Delta

Lago de Fango y un lecho que extiende horizontalmente aguas arriba de la represa

Punto de Sumergencia Cambio en color, confluencia del influjo y la contra-corriente, acumulacin de material flotante.

Agua clara

Corriente trbia

Contra-corriente inducida

Turbiedad aguas debajo 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 pequeo embalse hidroelctrico.

Punto de sumergencia de corriente de turbiedad Embalse Playas, Colombia

Material flotante acumulado en punto de sumergencia Embalse Salvajinas, Colombia

Impactos de la Sedimentacin: Aguas Arriba

Puede depositar sedimentos aguas arriba del nivel del lago Aumentar nivel del ro: inundaciones, saturacin de suelos

Dentro del Embalse Prdida de volumen Obstruccin de compuertas y tomas

Aguas Abajo de la Represa Gasto de equipo por turbinar agua con sedimentos gruesos Falta de sedimento grueso aguas abajo de la represa resulta en socavacin del

cauce del ro, erosin acelerada de riberas

La descarga de sedimentos puede producir daos econmicos y ambientales

Impactos de la Sedimentacin

Inundacin

Zona de Erosin

Prdida de Almacenaje

Zona de Acumulacin

Soca

vaci

n

Toma de riego cegado por la acumulacin de sedimento en la zona deltaica.

(Embalse Rosarios, Sudan)

Incisin del lecho del ro resulta en erosin de ribera acelerada

Socavacin de pilastras de puentes aguas debajo de una represa

Ao

Des

carg

a Pr

omed

io D

iaria

(m3 /s

)

Impacto del embalse en los flujos aguas abajo: (Reduccin en magnitud de crecidas reduce el transporte de sedimento)

El proceso del aporte de sedimentos: La mitad de los sedimentos transportados en 2 das al ao Variabilidad en el tiempo

Variacin de ao en ao Variacin diaria dentro de cada ao Variacin durante la crecida

Variabilidad en las zonas de origin 20% de la cuenca contribuya 80% de los sedimentos Enfocar control en las reas de la cuenca ms vulnerables

Conocimiento de los procesos de aporte permite el desarrollo de estrategias efectivas en manejar los sedimentos

La mayora de los sedimentos son transportadas por crecidas grandes.

El manejo de sedimentos tiene que enfocar en el manejo de estos eventos.

Des

carg

a (p

ies3

/s)

Turb

idez

(UN

T) Turbiedad alta al principio de un

evento de escorrenta. Producida por la alta disponibilidad de sedimento erosionada de la cuenca al inicio de la lluvia.

La turbiedad est relacionado principalmente a los sedimentos finos derivados por la erosin de suelos por la lluvia.

La concentracin de sedimentos es tambin variable durante una crecida

Cottonwood River, Kansas 754 mi2

1200 UNT @ 800 cfs

300 UNT @ 1600 cfs

Variabilidad en Tiempo

1 mg/L

500 mg/L

Variabilidad de Concentracin en el Tiempo: La alta variabilidad en la concentracin con el tiempo se refleja en la relacin de slido-lquido.

Ro Reventezn 10 a.m. (aguas claras)

Ro Reventezn 5 p.m. (aguas trbias)

El Concepto de Manejo de Sedimentos Lograr un Balance de Sedimentos

Carga de sedimentos entrando el embalse es igualada por la descarga de sedimentos aguas abajo.

Muy deficil de lograr para todos los tamaos de sedimentos (el componente ms deficil de balancear son los sedimentos gruesos).

Tpicamente requiere un tamao hidrolgico pequeo.

Reducir la Tasa de Prdida en Capacidad Prolongar la vida til para preservar los beneficios del diseo original. Cambiar operacin para lograr uso al largo plazo, a pesar de la

sedimentacin, con beneficios diferentes reducidas.

Protejer Compnentes Crticas (eg. tomas) Minimizar Daos Ambientales

ALTERNATIVAS DE MANEJO: Hay varios sistemas de clasificacin Hay una variedad de alternativas Varias alternativas pueden ser aplicadas simultneamente

Sedi

men

t Man

agem

ent S

trat

egie

s

Sediment yield

Reduction Non-

seasonal

Catchment, River US of

reservoir

Afforestation and Vegetation practices

Settling and off-stream storage basins Sabo Area, Changing from sediment check dams

to sediment control dams

Slope and bank protection, River regulation End of

reservoir Sediment check dams

Miwa, Koshibu, Nagashima Beninar

Sediment Routing

Seasonal

End of reservoir Sediment bypass

Asahi, Miwa, Koshibu, Yokoyama,

Egschi, Rempen, Palagnedra

Inside of reservoir

Sediment sluicing

Gated outlets Sabaishigawa, Dshidaira, Unazuki Luzzone, Livigno

Gatless outlets Masudagawa Orden, Ligistbach

Turbidity current venting

Bottom outlet Koshibu, Futase,

Kigawa Luzzone

None-gate & curtain wall Katagiri Glockner-Kaprun

Selective withdraw inlets Yahagi Tourtemagne

Submerged dam, groynes Grimsel

Sediment Removal

Seasonal Inside reservoir

Drawdown flushing flushing outlet Dashidaira, Unazuki

Bodendorf, Gebidem, Verbois

Partial flushing

Sediment scoring gate Senzu, Yasuoka Feistritz, Edling

Sediment scoring pipe Ikawa Annabrucke

Non-seasonal

End of reservoir Mechanically

Dry excavation

Sediment Replenishment

Nunome, Akiba, Futase, Murou Margaritze, Emosson

Recycling for concrete aggregate

Miwa, Yasuoka, Hiraoka Bodendorf, Genissiat

Dredging Miwa, Yanase Margaritze, Sylvenstein, Forni

Inside reservoir Hydraulically

Sediment siphoning Sakuma Luzzone

Sediment redistribution Sakuma Pieve di Cadore

Technique Timing Place Methods and details of sediment control measures Examples of

dams in Japan Examples of

dams in Europe

Sumi & Kantoush

Reduce Sediment Inflow from Upstream Route or Redistribute Sediments Increase or Recover Volume

Reduce Sediment Production

Soil Erosion Control

Streambank Erosion Control

Sediment Trapping Above Reservoir

Onstream Structures

Forests

Pasture

Farms

Construction sites and

Developed Areas

Dispersed structures

Sediment Bypass

Sediment Pass-Through

Turbid Density Currents

Flood

Seasonal

Mechanical Excavation

Dry Excavatio

n Dredging

Hydraulic Excavation

Empty Flushing

Pressure Scouring

Siphon Dredge

Hydraulic Dredge

Air Lift Dredge

Bucket Dredge

Sediment Redistributio

n

Estrategias de Manejo: Clasificados por Tcnica

Non- structural measures

Raise the Dam

Flood Bypass

Offstream Reservoirs

Drawdown Routing

Sediment Re-distribution

G. Morris

Reducir el Influjo de Sedimentos

Rastrear Sedimentos: Minimizar Deposicin

Remover Sedimentos una vez Depositados

Reducir el Influjo de Sedimentos Control de erosin en la cuenca

Trabajando con hasta miles de propiedades Trabajando con terrenos abandonados Incertendumbres: fuego, seguridad, condiciones econmicos

Construccin de Obras para Atrapar Sedimentos Embalses aguas arriba Trampas de sedimentos Miles de charcas agrcolas

Inicio del proceso de erosin por el impacto de gotas de lluvia.

La cobortura vegetal es el factor ms importante en el control de erosin.

Movimiento de tierra para la construccin hace el suelo particularmente susceptible a erosin

Erosin por la concentracin de flujo (Colombia) Erosin por un sendero

Crcavas

Erosin ocasionado por la concentracin del flujo

Empiezan pequeos, y entonces crecen

Patrn Longitudinal de una Crcava

Zona de erosin al pie de una pared vertical

Zona de transporte del material erosionado

Zona de deposicin del material erosionado

Este patn es tpica de la gran mayora de las crcavas

Crecimiento

Zona de races

Crcavas Los suelos altamente erosionables no requieren de mucho agua para ocasionar la creacin de crcavas.

Zona embalse Tacagua, altiplano de Bolivia

Suelo aluvial superior protegido por races.

Suelo aluvial inferior ms dbil y susceptible a la erosin.

Crecimiento de crcavas iniciadas por sobrepastoreo y senderos

Sedimentacin del cauce del ro

Ro Aragvi, Repblica de Georgia

Pequeas obras para el control de crcavas son costosos y poca efectivas al largo plazo, sin mantenimiento.

La mejor estrategia es establecer vegetacin.

Zona Ro Arque Cochabamba, Bolivia

Erosin por el lado de la estructura con escape de los sedimentos atrapados.

El objeto de las obras debe ser de permitir estabilizacin con vegetacin.

Rastrear Sedimentos y Minimizar Deposicin Pasar sedimentos alrededor del embalse. Pasar sedimentos atravs del embalse, minimizando deposicin.

Enfocar deposicin de sedimentos en zonas de menor impacto. Remover sedimentos de zonas criticas.

Crecida con sedimentos sigue por el cauce natural

Embalse fuera de cauce

Embalse Fuera de Cauce

Pasar sedimentos por embalses fuera de cauce (Puerto Rico, Taiwan)

Pasa >90% de los sedimentos suspendidos Pasa ~100% de la carga de arrastre

Embalse Fuera de Cauce Ro Fajardo, Puerto Rico

Toma del ro

Presa Tubera Gravedad

Embalse

CaritePatillasGuajatacaDos BocasGarzasCidraCaonillasLucchettiPrietoYahuecasGuayoLoizaToa VacaLa PlataCerrillosFajardoRio Blanco

1900 1950 2000 2250 2300 23502050 2100 2150 2200 2400 2450 2500 2550 2600 2650 2700 2750 2800 2850 2900 2950 32003000 3050 3100 3150 3250 3300 3350 3400 3450 3500 3550 3600 3650 3700 3750 3800 3850 3900 3950

Hoy

Embalses fuera de cauce

Aos requerdos en perder 50% de la capacidad del embalse, Puerto Rico

Embalses convencionales

Embalse : Carga de arrastre desviado aguas abajo

Requiere condiciones topogrficos apropiados

Utilizable en ros de alta pendiente y embalses relativamente cortos

Transporte de la carga de arrastre ocurre durante eventos frecuentes, porque el tnel o canal tipicamente no cuenta con la capacidad hidrulica suficiente para pasar una crecida grande.

Sedimentos gruesos pasan alredador del embalse por canal o tnel

Pasar sedimentos gruesos alrededor del embalse (Represa Asahi, Japn)

Desvio de la carga de arrastre para mantener el abasto de sedimentos aguas abajo de la represa. Objetivo: preservacin ambiental. Asahi dam, Osaka, Japan

Estructura para desviar flujo

Entrada al tnel

Pasar sedimentos por el embalse Se pasan los sedimentos a travs del embalse con un mnimo de

deposicin. Corrientes de turbiedad Reduccin en nivel (vaciado) durnate una crecida Reduccin en nivel (vaciado) durante estacin de crecidas

Descarga de sedimentos por ros es muy variable en el tiempo Varia de ao en ao Varia de da dn da Varia durante eventos de crecida

El objetivo es aprovechar de la variabilidad en concentracin de sedimentos: almacenar el agua limpia y pasar el agua trbia.

Pasar Sedimentos por Corriente de Turbiedad Corriente de turbiedad puede pasar sedimentos finos

Delta

Lago de Fango

Punto de Sumergencia Cambio en color, confluencia del influjo y la contra-corriente, acumulacin de material flotante.

Agua Clara

Corriente trbia

Agua trbia

Nivel del vertedero

Corriente de T

urbiedad

Liberacin 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 patrn de sedimentacin de un lecho horizontal cercano a la represa, ya que las aguas turbias estn liberadas.

Atrapando Sedimento: Al mantener el nivel de agua alto, la velocidad es bajo y se atrapa el sedimento.

Pasar Sedimento: Velocidad alta minimiza el potencial para deposicin de sedimento. Este mtodo no necesariamente puede lograr un balance con los sedimentos gruesos.

Velocidad Alta

Velocidad Baja

Pasar Sedimento atravs del Embalse Bajar el nivel dentro del embalse durante crecidas para aumentar velocidad y minimizar deposicin de sedimentos.

Operacin convencional, nivel alto y baja velocidad.

Abre compuerta para minimizar nivel y maximizar velocidad.

Pasar Sedimento por Reduccin en Nivel Reduccin en nivel durante crecidas Requiere prediccin hidrolgica de la inundacin Limitar flujo durante el vaciado inicial para no aumentar crecida aguas abajo Re-llenar embalse al final del evento.

Lago Loza Puerto Rico

Impacto de Manejar Compuertas en la velocidad del flujo atravs del embalse durante crecidas.

Mayor Velocidad = Menos Sedimentacin

10,000 20,000Distancia Aguas Arriba de la Represa (pies)

Velo

cidad

(pie

s/se

g) 10

5

0

Velocidad de Flujo con un caudal de 10,000 pies3/seg

Compuertas completamente abiertas

Compuertas parcialmente abiertas

Ancho del Embalse

QHours0 24

A. Normal Operation

Volume in Reservoir = 100

Sediment

Volume in Watershed < 10Q

Hours0 24

Q

Hours0 24

A. Normal Operation

Volume in Reservoir = 100

Sediment

Volume in Watershed < 10 Q

Hours0 24

B. Begin Drawdown

Volume in Reservoir = 70

Partial Gate Opening

Volume in Watershed = 30Q

Hours0 24

Q

Hours0 24

B. Begin Drawdown

Volume in Reservoir = 70

Partial Gate Opening

Volume in Watershed = 30

Q

Hours0 24

Gates Fully Open

C. Full Drawdown

Volume in Reservoir = 10Volume in

Watershed > 90Q

Hours0 24

Q

Hours0 24

Gates Fully Open

C. Full Drawdown

Volume in Reservoir = 10Volume in

Watershed > 90 Q

Hours0 24

D. Refill Reservoir

Gates Closed

Volume in Reservoir = 10Volume in

Watershed = 90Q

Hours0 24

Q

Hours0 24

D. Refill Reservoir

Gates Closed

Volume in Reservoir = 10Volume in

Watershed = 90

Secuencia de Operaciones: Pasar una Crecida

Pasando Sedimentos Por Vaciado Prolongado (Embalse Sanmenxia,Ro Amarillo, China) Embalse est vaciado cuando empiezan los meses de flujo alto Se cierre a mitad de la estacin hmeda para llenar el embalse

Crest =702 m

Sanmenxia Configuracin de compuertas de fondo

Compuertas de fondo 12 - 3x2 m Compuertas de fondo

8 - 3x2 m

Bocatomas Convertidas para pasar sedimentos

Tneles

Pasando Sedimentos Durante Crecidas Embalse Sanmenxia, Ro Amarillo, China

Compuertas de Fondo

Flujo

Pasando Sedimentos Durante Crecidas Embalse Sanmenxia, Ro Amarillo, China

Remocin de Sedimentos: (Remover sedimentos una vez depositados)

Lavado de Sedimentos (flushing) Requiere vaciar el embalse Mantiene un volumen limitado Impactos ambientales dependen de cada circunstancia

Dragado No requiere vaciado del embalse No sustentable a menos que hay sitio de disposicin permanente

Vaciado parcial es inefectivo. Se requiere un vaciado completo para desarrollar un flujo de alta velocidad a lo largo del embalse y atravs de la compuerta de fondo.

Gasto del agua para vaciar el embalse Ancho del canal de socavacin est limitado La energa requerda para un lavado efectiva no es siempre disponible

Aprovechar eventos de influjo natural, Liberar agua de un embalse aguas arriba

Flujo puede ser limitado por la capacidad de las compuertas de fondo Impactos

Ecosistemas fluviales y costaneros Terceros (tomas de agua, otros embalses, navegacin, recreo y turismo, pesca) Costo de oportunidad del agua utilizada (valor de un uso alterna, como la produccin

de energa)

Lavado de Sedimentos Vaciado completo para socavar sedimento

Nivel Embalse Lleno

Ancho del canal pre-embalse.

Nivel de sedimento previo al lavado

Acumulacin de sedimento sigue sobre planicie inundable sumergida. No se remueve por el lavado.

Canal de Lavado

Acumulacin por corrientes de turbiedad son removidas durante el lavado.

El ancho del canal dentro del embalse est limitado, aproximadamente, a la dimensin del cauce del ro previa a la construccin de la represa.

Capacidad de transporte de sedimento grueso est limitado por el caudal y duracin del flujo durante el lavado de sedimentos.

Muy efectivo en remover sedimento fino acumulado dentro del canal de lavado durante periodo operacional, pero no se puede remover sedimento depositado sobre la planicie inundable sumergida.

Lavado de Sedimentos (Embalse Cach, Costa Rica)

Cach Durante Vaciado

Cach Durante Vaciado

Sedimentos acumulados sobre la planicie sumergida no son removidas mediante el proceso de lavado

Embalse Cach, Costa Rica

Canal aguas arriba de la presa, ancho limitado.

Agua de lavado, concentracin mxima de ~400,000 mg/l)

Caudal y duracin durante el lavado es

insuficiente para transportar mucho de la

carga de arrastre.

Toma para hidro

Socavacin de sedimentos

Vaciado Re-llenado del Embalse

Conc. Sedimentos Suependidos aguas abajo.

Nivel de agua en el embalse

Tiempo

Con

cent

raci

n, N

ivel

Concentracin mx. > 100 g/L

Lavado produce concentraciones muy elevados de sedimentos en suspensin aguas abajo de la presa

Balance de Sedimentos, Embalse Sujeto a un Lavado Annual de 3-das de Duracin (Embalse cach, Costa Rica)

Sediment Distribution Tons/year % of total

Sediment through-flow 148,000 18%

Deposited on Terraces 167,000 21%

Bed load trapped in Reservoir 60,000 7%

Turbidity current deposits removed by flushing 432,000 54%

Total 807,000 100%

El lavado generalmente no puede transportar todo el sedimento: Sedimento grueso sigue acumulando en la zona de delta Sedimento fino sigue acumulando sobre planicies inundadas.

28% del influjo de sedimentos queda atrapados

Gebidem, Suiza Embalse hidroelcrico con lavado anual

Se puede mantener capacidad original mediante lavado solamente en embalses estrechos.

Vista aguas arriba de la represa

Massa Gorge Sedimentos depositados resultante al lavado del embalse Gebidem

Gebidem, Suiza Embalse hidroelcrico con lavado anual

Reduccin en Nivel en Kali Gandaki, Nepal (6 horas duracin)

Yahuecas, Puerto Rico

Excavacin manual e hidrulica

Tubera (con estaciones de bombeo adicionales si fuera necesario)

Descarga de sedimento

Dragado Hidrulica Factores Limitantes: 1.Costo de la operacin 2.Donde disponer del material

Area de disposicin Ro abajo de la represa

42

5

3

7

8

9

1

6

10

1112

13

13 14 15

Deposits after dredging

Componentes de un Sistema de Dragado

Draga Hidrulica

Area Disposicin

Draga Hidrulica

Cortadora

Bomba adicional

Dragado continuo con descarga al ro aguas debajo de la presa: Minimice problemas ambientales porque nunca descarga una cantidad masiva de sedimentos. Otro factor favorable es que hay poco sedimentos finos.

Bajo Anchicay, Colombia

Draga de Sifn, Embalse Valdesia, Repblica Dominicana

Embalse Valdesia, Repblica Dominicana

Descarga de fondo de la draga de Sifn

Anlisis de Utilizacin al Largo Plazo

Embalse Peligre, Hait

Estrategia para los Prximos 100-aos Embalse Peligre, Hait

Dominican Republic Haiti

Caribbean Sea

Atlantic Ocean

Irrigation Area

Cuenca Peligre 6480 km2

Zona de riego, Valle del Artibonite

Represa Peligre

Embalse Peligre, Haiti: Hidroelctrica, suplido de riego, control de inundaciones

Influjo diaria hacia el embalse

Variacin en el Nivel del Embalse Resultante de Operaciones Hidroelctricas

En 2008, luego de 52 aos de operacin, el embalse haba perdida 50% de su volumen original.

Interrogante: Para cuanto tiempo podr funcionar el central hasta que su operacin est imposibilitada por la sedimentacin.

Peligre, Haiti, durante vaciado

Peligre, Haiti, durante vaciado Mirando aguas arriba de la presa

Tope 175.55 m

Nivel Normal 172 m

Compuertas de Fondo

Bocatomas

Vertedero El. 167 m

Uno de las problemas en Peligr es que la ubicacin de las compuertas de fondo no limpian la zona frente las bocatomas

Secciones Transversales para Estudio Batimtrica

Presa

GPS en canoa de tronco

Trabajo de campo de batimetra para determinar el patrn de sedimentacin actual

Acceso realizado a pie, por canoa, y balsa inflable

120

130

140

150

160

170

180

0 5 10 15 20 25 30

Elev

ation (m

)

Distance Above Dam (km)

19802008

XS-2

3

XS-2

2

XS-2

1

XS-2

0

XS-1

9

XS-1

8

XS-1

7

XS-1

6

XS-1

5 XS

-14

XS-1

3

XS-1

2 XS

-11

XS-1

0

XS-9

XS-8

XS

-7

XS-6

XS-4

XS

-2

XS-1

Perfil de sedimentos

ao1980

Perfil de sedimentos ao 2008

Prfiles de Sedimentacin

Sedimentos avanzando hacia el

embalse

PRESA

Presa

Depsitos de sedimentos 22 km aguas arriba de la presa (foto tomado durante reduccin en nivel, mayo 2008)

La mayor sedimentacin ocurre

en las riberas del canal.

La planicie de sedimentos se utiliza para agricultura

durante la reduccin annual en nivel.

Depositos de sedimentos 15 km aguas arriba de la presa (foto tomado durante la reduccin en nivel, Mayo 2008)

Mucho menos sedimentacin a medida que se aleja del canal.

Menos sedimento cercano a la represa (foto durante reduccin en nivel, mayo 2008)

Represa

Efecto de floculacin de arcilla en modificar el dimetro efectivo de sedimentacin de los slidos suspendidos en el embalse Peligre. Muestra dividida analizada por mtodo de hidrmetro, uno con agua del embalse y otro con defloculante en agua destilada (mtodo normal de laboratoria para el anlisis de suelos).

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.0010.010.11

Percen

t Passin

g (%

)

Diameter (mm)

Sand Silt Clay

Muestra analizada con defloculante y agua destilada Muestra

analizada en agua del embalse sin defloculante

0.0

50.0

100.0

150.0

200.0

250.0

300.0

350.0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Stor

age

(Mm

)

Simulation Time (Yr)

Peligre Reservoir Storage Volume Variation (Mm)

Normal Operation

Sediment Flushing Raise Dam with Normal Operation

Raise dam with Flushing

Cambio en Volumen con el Tiempo: Tasa de sedimentacin se reduce segn disminuya el volumen.

Tiempo (aos)

Volu

men

(Mm

3 )

Potencial de estabilizar la capacidad

Figure 33: Projected variation in trap efficiency with time, per sediment transport simulations.

Dam Raise with Normal Operation Model

Normal Operation Model

Dam Raise with Sediment Flushing Model

Sediment Flushing Model

XS-1

XS-2

XS-3

XS-4

XS-5

XS-6

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0

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1

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2

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3

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5

XS-1

6

XS-1

7 XS

-18

XS-1

9

120

130

140

150

160

170

180

0 5 10 15 20 25 30

Elevation (m)

Distance Above Dam (Km)

Peligre Reservoir Projected Sediment Accumulation2008 Bathymetry 10 Yr 20 Yr 30 Yr 45 Yr 60 Yr 100 Yr

Normal Pool Elevation 172 m

Prediccin de Perfiles, Simulacin de 100 aos (modelo SRH-1D, USBR)

Perfil 2008

Presa

Perfil 2028

Perfil ao 2108

Modificacin de nivel mnimo operacional: Enfocar sedimentacin ms lejos de la bocatoma Aumentar carga hidrulica para produccin de energa

Nivel mnimo operacional actual = 153 m

Nivel mnimo operacional propuesto = 160 m

Gregory L. Morris gmorris@gmaeng.com

www.gmaeng.com

PDF del libro de 748 pginas Reservoir Sedimentation Handbook McGraw-Hill Book Co., New York

www.reservoirsedimentation.com

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