San Juan, Puerto Ricowww.gmaeng.com                                Represa Romana (Harbaque, Síria). Abandonado más       ...
Clases de Impactos Debido a      los Sedimentos IMPACTOS EN LA CASA DE MAQUINAS •  Erosión de las compuertas •  Erosión de...
Los sedimentos normalmente ocasionan laabrasión gradual de los equipos hidromecánicos                            Abrasión ...
Una abrasión catastrófica ocurrió cuando el embalse fue operado a unnivel bajo durante una crecida, lo cual socavó arena d...
Ejemplo de erosión de elementos en unidades  pelton de 125 MW c/u con 800m de carga                   6 válvulas de agujaV...
Válvula de aguja en buen estadoDeflector   Aguja   Asiento del válvula
Desgaste luego de     10,000 horas de    operación normalPatrón de desgastesuperficial sobre la aguja          Desgaste en...
Desgaste ocasionado en <24 hrs de operación con arena
Válvula esféricaDesgaste del asiento del válvula en <24 hrs de operación con arena
Alternativas: instalar estructura para elevar el nivel     de la bocatoma para evitar la entrada de                      s...
La vida útil del embalse se puede prolongar al pasar sedimento fino por  las turbinas, para así maximizar el volumen dispo...
Factores que influyen la tasa de           abrasiónFactores No podemos              Factores SI podemos controlarcontrolar...
Estrategias para Minimizar el DesgasteFactoes SI podemos             Estrategias de Controlcontrolar1.  Diseño de turbinas...
El tamaño máximo del grano de sedimento     es un parámero MUY importante•  Tasa de erosión del metal es proporcional al  ...
Bocatomas Filo de Agua
Teoría de un Tanque de Sedimentación          1.  La zona de sedimentación tiene flujo paralelo y uniforme.          2.  L...
Compuerta de purgaCompuerta flujo ambiental
Azud y toma
5     4     3     2     15 entradas enla bocatoma
Rejilla #1             Mucho flujoRejilla #5Poco flujo
Patrones de Flujo Observados Curva en canal de entrada                                         Sobrande del diriga mayor fl...
Canal con                                     curva                                  Mayor flujoMenos flujoFlujo no es div...
Mayor flujo   Menor flujo                            División de flujo entre                             los dos tanques d...
Alta turbulencia en desarenador                                       Flujo concentratoRecirculación de flujo             ...
Salida del tanqueEl exceso del flujo se descarga después del tanque desedimentación, resultando en una sobrecarga deldesar...
Material atrapado en el     desarenador
Consecuencias de una pobre operación del desarenador:  la turbina fue dañada en su primer año de operación        Salida d...
Patrón de flujo observado (La Vuelta)Entrada no es centralizada en el tanque
Efecto de una Barrera Permeableen mejorar la distribución del flujo              Pobre Condición Hidráulica               ...
Utilización de barrera permeable para mejorar la distribución del flujo en la entrada del tanque.
Requiere pérdida de energía para romper ydistribuir el chorro de flujo del canal de entrada
Desarenador Marsyangdi Bajo (Nepal)
Desarenador Marsyangdi BajoAl ubicar el vertedero en el lado derecho, se distorciona el flujo hacia la            derecha ...
Sedimentación de EmbalsesEmbalse Camaré, Venezuela: totalmente sedimentado en 14 años.
Sedimentos y la Sostenibilidad        de los Embalses•  Nuestro sociedad es hidráulica – depende de grandes cantidades de ...
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Patrones de Sedimentación:• Zonas de deposición   –  Material grueso en la delta   –  Material fino aguas abajo de la delt...
Patrones de Deposición de SedimentoDepósito en delta(material grueso)   Depósito de fondo                    (material fin...
Delta con sedimento fino   Emblase Playas, ColombiaDelta con sedimento gruesoEmbalse Yeso, Chile
Los sedimentos no son uniformes, particularmenteen la zona cercana a la delta                                FINOS        ...
Embalse Sri Rama Sagar,Andhra Pradesh, India       Depósito de                            Sedimentos                      ...
El sedimento fino llena primero la parte mas profunda de la      sección transversal, creando así un lecho llano.         ...
Embalse Elephant Butte, New Mexico, USA                      Lecho Sedimentado es horizontal                              ...
Corriente de TurbiedadPuede crear un lago de fango y depósitos horizontales   Punto de Sumergencia   Cambio en color, conf...
Ejemplo de una corrientede turbiedad pasando porun pequeño embalsehidroeléctrico. Turbiedad aguas debajo           de la r...
Punto de sumergencia de corriente de turbiedadEmbalse Playas, Colombia
Material flotante acumulado en punto de sumergenciaEmbalse Salvajinas, Colombia
Impactos de la Sedimentación:• Aguas Arriba    –  Puede depositar sedimentos aguas arriba del nivel del lago    –  Aumenta...
Impactos de la Sedimentación                                        Zona de         Zona de Acumulación                   ...
Toma de riego cegado por la acumulación de      sedimento en la zona deltaica.            (Embalse Rosarios, Sudan)
Incisión del lecho del río resulta en erosión de ribera acelerada
Socavación de pilastras de puentes aguas debajo de una represa
Impacto del embalse en los flujos aguas abajo:(Reducción en magnitud de crecidas reduce el transporte de sedimento) Descar...
El proceso del aporte de sedimentos:• La mitad de los sedimentos transportados en 2 días al año• Variabilidad en el tiempo...
La mayoría de los sedimentos son transportadas por crecidas grandes.El manejo de sedimentos tiene que enfocar en el manejo...
La concentración de sedimentos es también                            variable durante una crecida                         ...
Variabilidad de Concentración en el Tiempo:    Variabilidad en TiempoLa alta variabilidad en la concentración con el tiemp...
Río Reventezón                  10 a.m.                  (aguas claras)Río Reventezón5 p.m.(aguas túrbias)
El Concepto de Manejo de Sedimentos• Lograr un Balance de Sedimentos   –  Carga de sedimentos entrando el embalse es igual...
ALTERNATIVAS DE MANEJO:• Hay varios sistemas de clasificación• Hay una variedad de alternativas• Varias alternativas puede...
Methods and details of                        Examples of            Examples of                                 Technique...
Estrategias de Manejo: Clasificados por Técnica  Reducir el Influjo de                     Rastrear Sedimentos:           ...
Reducir el Influjo de Sedimentos• Control de erosión en la cuenca   –  Trabajando con hasta miles de propiedades   –  Trab...
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Secuencia de Operaciones: Pasar una CrecidaA. Normal Operation                                          B. Begin Drawdown ...
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SanmenxiaConfiguración de compuertas de fondo                          Crest =702 m Túneles                               ...
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Lavado de Sedimentos(Embalse Cachí, Costa Rica)
Cachí Durante Vaciado
Cachí Durante Vaciado
Sedimentos acumulados sobre la planicie sumergidano son removidas mediante el proceso de lavado
Canal aguas arriba                                   Agua de lavado,  de la presa, ancho                                  ...
Lavado produce concentraciones muy elevados de                sedimentos en suspensión aguas abajo de la presa            ...
El lavado generalmente no puede transportar todo el sedimento:• Sedimento grueso sigue acumulando en la zona de delta• Sed...
Se puede mantener capacidad original mediante                        lavado solamente en embalses estrechos.Gebidem, Suiza...
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Descarga de fondo de la draga de SifónEmbalse Valdesia,República Dominicana
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Estrategia para los Próximos 100-añosEmbalse Peligre, Haití
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Influjo diaria hacia el embalse
Variación en el Nivel del Embalse Resultante de Operaciones Hidroeléctricas
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Peligre, Haiti, durante vaciadoMirando aguas arriba de la presa
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Depósitos de sedimentos 22 km aguas arriba de la presa                  (foto tomado durante reducción en nivel, mayo 2008...
Depositos de sedimentos 15 km aguas arriba de la presa           (foto tomado durante la reducción en nivel, Mayo 2008)   ...
Menos sedimento cercano a la represa (foto durante reducción en nivel, mayo 2008)                     Represa
Sand                                  Silt           Clay                              100                              90...
Cambio en Volumen con el Tiempo:Tasa de sedimentación se reduce según disminuya el volumen.                               ...
Dam Raise with Sediment Flushing Model                                                         Dam Raise with Normal Opera...
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Modificación de nivel mínimo operacional:• Enfocar sedimentación más lejos de la bocatoma• Aumentar carga hidráulica para ...
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Manejo de Sedimentos en Sistemas Hidroeléctricas

  1. 1. San Juan, Puerto Ricowww.gmaeng.com Represa Romana (Harbaque, Síria). Abandonado más de 1000 años y los sedimentos aún están intactos. Manejo de Sedimentos en Sistemas Hidroeléctricas Colegio de Ingenieros, Lima, Perú 21 de febrero de 2013 Dr. Gregory L. Morris, P.E.
  2. 2. Clases de Impactos Debido a los Sedimentos IMPACTOS EN LA CASA DE MAQUINAS •  Erosión de las compuertas •  Erosión de las turbinas •  Obstrucción del sistema de enfriamiento IMPACTOS EN EL EMBALSE •  Pérdida de capacidad •  Obstaculización de la bocatoma •  Abrasión de obras hidráulicas •  Acumulación en conductos
  3. 3. Los sedimentos normalmente ocasionan laabrasión gradual de los equipos hidromecánicos Abrasión de wicket Abrasión turbina Francis•  Pero en casos extremos pueden ocasionar daños catastróficos
  4. 4. Una abrasión catastrófica ocurrió cuando el embalse fue operado a unnivel bajo durante una crecida, lo cual socavó arena desde la zona dedelta y lo llevó hacia la bocatoma. La central estuvo fuera de servicio25 días para reparación. Después se estableció un sistema demonitoreo de la concentración de sedimentos. Max. Operating Level 1277 m1260124012201200 Min. Operating Level 1190 m Profile 20101180 Profile 2006 Profile 20041160 Profile 2002 Profile 199711401120 Turbidity current deposits. Delta, coarse sediment, Fine sediments, can pass thru turbines will destroy turbines 0 km upstream of dam 5 10 15 20
  5. 5. Ejemplo de erosión de elementos en unidades pelton de 125 MW c/u con 800m de carga 6 válvulas de agujaVálvula esférica Turbinas Pelton
  6. 6. Válvula de aguja en buen estadoDeflector Aguja Asiento del válvula
  7. 7. Desgaste luego de 10,000 horas de operación normalPatrón de desgastesuperficial sobre la aguja Desgaste en el punto de cierre contra el asiento de la válvula
  8. 8. Desgaste ocasionado en <24 hrs de operación con arena
  9. 9. Válvula esféricaDesgaste del asiento del válvula en <24 hrs de operación con arena
  10. 10. Alternativas: instalar estructura para elevar el nivel de la bocatoma para evitar la entrada de sedimento Max. Pool Sequence of the advance of delta deposits over the top of fine sediments. 2 3 Min. Pool 1 Fine sediments deposited by turbid density currents
  11. 11. La vida útil del embalse se puede prolongar al pasar sedimento fino por las turbinas, para así maximizar el volumen disponible para atrapararena y posponer la llegada de arena a la bocatoma. Aumenta el nivelmínimo operacional con el tiempo para atrapar arenas aguas arriba en el embalse. Max. Pool Sequence of the advance of delta deposits over the top of fine sediments. 2 3 Min. Pool 1 Fine sediments deposited by turbid density currents
  12. 12. Factores que influyen la tasa de abrasiónFactores No podemos Factores SI podemos controlarcontrolarConcentración y tamaño de Tamaño máximo entregado a lassedimento en el río turbinasMinerología (dureza y Dureza superficial (revistida)angularidad del sedimento)Carga hidráulica Deseño de turbinas y otras componentes Escala Mho: Dureza de acero en turbinas ≈ 4.7 Dureza cuartzo ≈ 7.0
  13. 13. Estrategias para Minimizar el DesgasteFactoes SI podemos Estrategias de Controlcontrolar1.  Diseño de turbinas y •  Seleccionar diseño de turbinas que otras componentes reduce la abrasión •  Diseñar partes sujeto a desgaste para facilitar su re-emplazo2. Tamaño máximo de •  Optimizar la configuración de la sedimentos que llegan a bocatoma para reducir entrada de las turbinas 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 operacional3. Dureza del superficie del •  Aplicar revistimiento a la turbina metal
  14. 14. El tamaño máximo del grano de sedimento es un parámero MUY importante•  Tasa de erosión del metal es proporcional al número de golpes por los granos (la concentración de sedimentos en suspensión)•  Tasa de erosión 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 π (d/2)3 La concentración de los granos de Erosión se relaciona mayor tamaño es el factor de mayor al CUBO DEL importancia en el control de la DIAMETERO abrasión del metal.
  15. 15. Bocatomas Filo de Agua
  16. 16. Teoría de un Tanque de Sedimentación 1.  La zona de sedimentación tiene flujo paralelo y uniforme. 2.  Las zonas de turbulencia en la entrada y salida no son parte de la zona de sedimentación. Zona deZona de Zona de SedimentaciónEntrada Salida Partículo con 100% de remoción bajo condiciones ideales Zona Almacenaje de Sedimentos
  17. 17. Compuerta de purgaCompuerta flujo ambiental
  18. 18. Azud y toma
  19. 19. 5 4 3 2 15 entradas enla bocatoma
  20. 20. Rejilla #1 Mucho flujoRejilla #5Poco flujo
  21. 21. Patrones de Flujo Observados Curva en canal de entrada Sobrande del diriga mayor flujo al tanque A - Tanque con mayor flujo fluijo descargada A que el tanque B al río SalidaFlujo alta velocidad establece B - Tanque con menor flujocorrientes y recirculación del flujo,reduciendo el tamaño de la zona desedimentación.
  22. 22. Canal con curva Mayor flujoMenos flujoFlujo no es dividida igualmente entre los dos tanques de sedimentación
  23. 23. Mayor flujo Menor flujo División de flujo entre los dos tanques de sedimentación no es igual
  24. 24. Alta turbulencia en desarenador Flujo concentratoRecirculación de flujo en el lado derecho del tanque
  25. 25. Salida del tanqueEl exceso del flujo se descarga después del tanque desedimentación, resultando en una sobrecarga deldesarenador y reducción en la eficiencia de remoción.
  26. 26. Material atrapado en el desarenador
  27. 27. Consecuencias de una pobre operación del desarenador: la turbina fue dañada en su primer año de operación Salida de sedimento Sedimento acumulado por el eje en el piso de la casa de máquina
  28. 28. Patrón de flujo observado (La Vuelta)Entrada no es centralizada en el tanque
  29. 29. Efecto de una Barrera Permeableen mejorar la distribución del flujo Pobre Condición Hidráulica (turbulencia y vortices) Condición Deseada Barrera (flujo uniforme y paralela) Permeable
  30. 30. Utilización de barrera permeable para mejorar la distribución del flujo en la entrada del tanque.
  31. 31. Requiere pérdida de energía para romper ydistribuir el chorro de flujo del canal de entrada
  32. 32. Desarenador Marsyangdi Bajo (Nepal)
  33. 33. Desarenador Marsyangdi BajoAl ubicar el vertedero en el lado derecho, se distorciona el flujo hacia la derecha y crea zona muerta en el lado izquierdo. Bocatoma Alas sumergidas Espacio muerto - volumen inefectivo para el para orientar flujo proceso de sedimentación Zon aM uer ta Compuerta de Purga Flujo está dirigido hacia la derecha del sedimentador debido a la localización de vertedero de salida. Vertedero de Salida - Sum ergida Hacia Turbinas
  34. 34. Sedimentación de EmbalsesEmbalse Camaré, Venezuela: totalmente sedimentado en 14 años.
  35. 35. Sedimentos y la Sostenibilidad de los Embalses•  Nuestro sociedad es hidráulica – 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 única en cuanto 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 deficil y costoso recuperar la capacidad perdida, particularmente para las embalses más grandes.OBJETIVO: Permitir la operabilidad de la infraestructura de los embalsespor un tiempo indefinido mediante el manejo de la sedimentación.
  36. 36. Cuales embalses tendrán problemas más rápidos?1.  Embalses de menor tamaño hidrológico2.  Cuencas con mayor tasa de erosión y rendimiento de sedimento El tamaño hidrológico se representa por la razón Capacidad:Influjo Volumen embalse Capacidad:influjo = Escorrentía anual EmbalseCuenca no-embalsada
  37. 37. Curva Brune :Indica el porcentaje del sedimento atrapado por un embalse de operaciónconvencional. En general, los embalses son muy eficientes en atraparsedimentos.
  38. 38. Cuando 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 a la zona de la toma.•  Muchos embalses experimentan tasas de sedimentación mayor que lo anticipado en el diseño original.
  39. 39. Estudios Batimétricos:Determinar la Tasa de SedimentaciónDeterminar patrón de sedimentación(Embalse El Cajón, Honduras)
  40. 40. Curvas de volumen y área:Problema del nivel de precisión de los datos !"#!$%&()*+$ #!$!!!" (#$!!!" (!$!!!" #$!!!" !$!!!" &#$!!!" &!$!!!" %#$!!!" %!$!!!" #$!!!" !" %!+!" 89:;$")<=9;<$")*)(>9?($ %!*!" %!)+">"26?"6@"G66H"?66<" %!)!" #,#-!./01$%2))3+$ &!!*" %!#!" %4)"567898:;<=" %!(!" %!4">"26?"6@"A6:BC7D;E6:"?66<" /,0,/123" ,-.," %!!" %!&!">"F6?"6@"8:;AEDC"?66<" %!&!" !" &!!$!!!" (!!$!!!" )!!$!!!" +!!$!!!" %$!!!$!!!" %$&!!$!!!" 4!5!4/.6$%&()72))3+$
  41. 41. Patrones de Sedimentación:• Zonas de deposición –  Material grueso en la delta –  Material fino aguas abajo de la delta –  Varía mucho de un embalse a otro• Consecuencias –  Pérdida de capacidad –  Obstrucción de compuertas y tomas –  Gasto de equipo por turbinar agua con sedimentos (nogami eqn.) –  Problemas aguas abajo del embalse –  Problemas aguas arriba de delta
  42. 42. Patrones de Deposición de SedimentoDepósito en delta(material grueso) Depósito de fondo (material fino) Depósito por corrientes de turbiedad (material fino)
  43. 43. Delta con sedimento fino Emblase Playas, ColombiaDelta con sedimento gruesoEmbalse Yeso, Chile
  44. 44. Los sedimentos no son uniformes, particularmenteen la zona cercana a la delta FINOS ARENA (transportada por crecida) FINOSEmbalse Folsom, California
  45. 45. Embalse Sri Rama Sagar,Andhra Pradesh, India Depósito de Sedimentos Finos cercano a la represa Lago Prieto, Puerto Rico
  46. 46. El sedimento fino llena primero la parte mas profunda de la sección transversal, creando así un lecho llano. Acumulación de Sedimento
  47. 47. Embalse Elephant Butte, New Mexico, USA Lecho Sedimentado es horizontal Elev. vertedero Fondo original
  48. 48. Corriente de TurbiedadPuede crear un lago de fango y depósitos horizontales Punto de Sumergencia Cambio en color, confluencia del influjo y la contra-corriente, acumulación de material flotante. Lago de Fango y un lecho que extiende Contra-corriente horizontalmente aguas inducida arriba de la represa Agua clara Delta Corriente túrbia
  49. 49. Ejemplo de una corrientede turbiedad pasando porun pequeño embalsehidroeléctrico. Turbiedad aguas debajo de la represa Represa Agua clara superficial dentro del embalse Agua turbia entrando al embalseRepresa Dos BocasPuerto Rico
  50. 50. Punto de sumergencia de corriente de turbiedadEmbalse Playas, Colombia
  51. 51. Material flotante acumulado en punto de sumergenciaEmbalse Salvajinas, Colombia
  52. 52. Impactos de la Sedimentación:• Aguas Arriba –  Puede depositar sedimentos aguas arriba del nivel del lago –  Aumentar nivel del río: inundaciones, saturación de suelos• Dentro del Embalse –  Pérdida de volumen –  Obstrucción 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 socavación del cauce del río, erosión acelerada de riberas –  La descarga de sedimentos puede producir daños económicos y ambientales
  53. 53. Impactos de la Sedimentación Zona de Zona de Acumulación ErosiónInundación Pérdida de Almacenaje Socavación
  54. 54. Toma de riego cegado por la acumulación de sedimento en la zona deltaica. (Embalse Rosarios, Sudan)
  55. 55. Incisión del lecho del río resulta en erosión de ribera acelerada
  56. 56. Socavación de pilastras de puentes aguas debajo de una represa
  57. 57. Impacto del embalse en los flujos aguas abajo:(Reducción en magnitud de crecidas reduce el transporte de sedimento) Descarga Promedio Diaria (m3/s) Año
  58. 58. El proceso del aporte de sedimentos:• La mitad de los sedimentos transportados en 2 días al año• Variabilidad en el tiempo –  Variación de año en año –  Variación diaria dentro de cada año –  Variación durante la crecida• Variabilidad en las zonas de origin –  20% de la cuenca contribuya 80% de los sedimentos –  Enfocar control en las áreas de la cuenca más vulnerables Conocimiento de los procesos de aporte permiteel desarrollo de estrategias efectivas en manejar lossedimentos
  59. 59. La mayoría de los sedimentos son transportadas por crecidas grandes.El manejo de sedimentos tiene que enfocar en el manejo de estos eventos.
  60. 60. La concentración de sedimentos es también variable durante una crecida La turbiedad estáDescarga (pies3/s) relacionado principalmente a los sedimentos finos derivados por la erosión de 300 UNT @ 1600 cfs suelos por la lluvia. 1200 UNT @ 800 cfs Turbiedad alta al principio de unTurbidez (UNT) evento de escorrentía. Producida por la alta disponibilidad de sedimento erosionada de la cuenca al inicio de la lluvia. Cottonwood River, Kansas 754 mi2
  61. 61. Variabilidad de Concentración en el Tiempo: Variabilidad en TiempoLa alta variabilidad en la concentración con el tiempo se reflejaen la relación de sólido-líquido. 500 mg/L 1 mg/L
  62. 62. Río Reventezón 10 a.m. (aguas claras)Río Reventezón5 p.m.(aguas túrbias)
  63. 63. 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 tamaños de sedimentos (el componente más deficil de balancear son los sedimentos gruesos). –  Típicamente requiere un tamaño hidrológico pequeño.• Reducir la Tasa de Pérdida en Capacidad –  Prolongar la vida útil para preservar los beneficios del diseño original. –  Cambiar operación para lograr uso al largo plazo, a pesar de la sedimentación, con beneficios diferentes ó reducidas.• Protejer Compnentes Críticas (eg. tomas)• Minimizar Daños Ambientales
  64. 64. ALTERNATIVAS DE MANEJO:• Hay varios sistemas de clasificación• Hay una variedad de alternativas• Varias alternativas pueden ser aplicadassimultáneamente
  65. 65. Methods and details of Examples of Examples of Technique Timing Place sediment control measures dams in Japan dams in Europe Afforestation and Vegetation practices Catchment, Sabo Area, Changing from sediment check dams River US of to sediment control dams Sediment Settling and off-stream storage basins Non- reservoir yield seasonal Reduction Slope and bank protection, River regulation Miwa, Koshibu, End of Beninar Nagashima reservoir Sediment check dams Asahi, Miwa, Koshibu, Egschi, Rempen, End of Sediment bypass Yokoyama, Palagnedra reservoirSediment Management Strategies Sabaishigawa, Luzzone, Livigno Gated outlets Dshidaira, Unazuki Sediment Seasonal sluicing Masudagawa Orden, Ligistbach Gatless outlets Koshibu, Futase, Luzzone Sediment Bottom outlet Kigawa Routing None-gate & curtain wall Katagiri Glockner-Kaprun Inside of Turbidity reservoir current Yahagi Tourtemagne venting Selective withdraw inlets Submerged dam, groynes Grimsel Drawdown Bodendorf, Gebidem, flushing outlet Dashidaira, Unazuki flushing Verbois Seasonal Inside reservoir Sediment scoring gate Senzu, Yasuoka Feistritz, Edling Partial flushing Sediment scoring pipe Ikawa Annabrucke Sediment Sediment Nunome, Akiba, Removal Dry Replenishment Futase, Murou Margaritze, Emosson excavation Recycling for Miwa, Yasuoka, End of concrete Bodendorf, Genissiat reservoir Mechanically Hiraoka Non- aggregate Dredging Margaritze, seasonal Miwa, Yanase Sylvenstein, Forni Inside Sediment siphoning Sakuma Luzzone Hydraulically reservoir Sediment redistribution Sakuma Pieve di Cadore Sumi & Kantoush
  66. 66. Estrategias de Manejo: Clasificados por Técnica Reducir el Influjo de Rastrear Sedimentos: Remover Sedimentos Sedimentos Minimizar Deposición una vez Depositados Reduce Sediment Inflow from Upstream Route or Redistribute Sediments Increase or Recover Volume Mechanical Hydraulic Reduce Sediment Sediment Trapping Sediment Sediment Sediment Excavation Excavation Production Above Reservoir Bypass Re-distribution Pass-Through Raise the Dam Streambank DrySoil Erosion Onstream Drawdown Empty Erosion Excavatio Dredging Control Structures Routing Flushing Control n Dispersed Pressure Offstream Flood structures Scouring Reservoirs Forests Siphon Dredge Seasonal Sediment Non- Redistributio Pasture Flood Hydraulic Dredge structural n measures Bypass Turbid Density Farms Currents Air Lift Dredge Construction Bucket Dredge sites and Developed Areas G. Morris
  67. 67. Reducir el Influjo de Sedimentos• Control de erosión en la cuenca –  Trabajando con hasta miles de propiedades –  Trabajando con terrenos abandonados –  Incertendumbres: fuego, seguridad, condiciones económicos• Construcción de Obras para Atrapar Sedimentos –  Embalses aguas arriba –  Trampas de sedimentos –  Miles de charcas agrícolas
  68. 68. Inicio del proceso de erosión por el impacto de gotas de lluvia.La cobortura vegetal es el factor más importante en el control de erosión.Movimiento de tierra para la construcción hace el suelo particularmente susceptible a erosión
  69. 69. Erosión por la concentración de flujo (Colombia) Erosión por un sendero
  70. 70. Cárcavas•  Erosión ocasionado por la concentración del flujo•  Empiezan pequeños, y entonces crecen
  71. 71. Patrón Longitudinal de una Cárcava Zona de raíces Zona de erosión Zona de deposición del al pie de una material erosionado pared vertical Zona de transporte del material erosionado Crecimiento Este patón es típica de la gran mayoría de las cárcavas
  72. 72. Cárcavas Los suelos altamente erosionables no requieren de mucho agua para ocasionar la creación de cárcavas. Suelo aluvial superior protegido por raíces. Suelo aluvial inferior más débil y susceptible a la erosión. Zona embalse Tacagua, altiplano de Bolivia
  73. 73. Crecimiento de cárcavas iniciadas por sobrepastoreo y senderos Sedimentación del cauce del río Río Aragvi, República de Georgia
  74. 74. Pequeñas obras para el control de cárcavas son costosos y poca efectivas al largo plazo, sin mantenimiento. La mejor estrategia es establecer vegetación. Erosión por el lado de la estructura con escape de los sedimentos atrapados.El objeto de las obrasdebe ser de permitirestabilización con Zona Río Arquevegetación. Cochabamba, Bolivia
  75. 75. Rastrear Sedimentos y MinimizarDeposición• Pasar sedimentos alrededor del embalse.• Pasar sedimentos através del embalse, minimizandodeposición.• Enfocar deposición de sedimentos en zonas de menorimpacto.• Remover sedimentos de zonas criticas.
  76. 76. Embalse Fuera de CaucePasar 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 Crecida con sedimentos sigue por el cauce natural
  77. 77. Embalse Fuera de Cauce Río Fajardo, Puerto Rico PresaTubería GravedadToma del río
  78. 78. Años requerídos en perder 50% de la capacidad del embalse, Puerto Rico HoyEmbalse 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 2250 2300 2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650 2700 2750 2800 2850 2900 2950 3000 3050 3100 3150 3200 3250 3300 3350 3400 3450 3500 3550 3600 3650 3700 3750 3800 3850 3900 3950CaritePatillasGuajatacaDos BocasGarzasCidraCaonillasLucchettiPrieto Embalses convencionalesYahuecasGuayoLoizaToa VacaLa PlataCerrillosFajardoRio Blanco Embalses fuera de cauce
  79. 79. Sedimentos gruesos pasan alredador del embalse por canal o túnel •  Requiere condicionesEmbalse : topográficos apropiadosCarga de arrastre desviado •  Utilizable en ríos de altaaguas abajo pendiente y embalses relativamente cortos •  Transporte de la carga de arrastre ocurre durante eventos frecuentes, porque el túnel o canal tipicamente no cuenta con la capacidad hidráulica suficiente para pasar una crecida grande.
  80. 80. Pasar sedimentos gruesos alrededor del embalse(Represa Asahi, Japón)
  81. 81. Estructura para desviar flujo Entrada al túnelDesvio de la carga de arrastre para mantenerel abasto de sedimentos aguas abajo de larepresa. Objetivo: preservación ambiental.Asahi dam, Osaka, Japan
  82. 82. Pasar sedimentos por el embalse•  Se pasan los sedimentos a través del embalse con un mínimo de deposición. –  Corrientes de turbiedad –  Reducción en nivel (vaciado) durnate una crecida –  Reducción en nivel (vaciado) durante estación de crecidas•  Descarga de sedimentos por ríos es muy variable en el tiempo –  Varia de año en año –  Varia de día dn día –  Varia durante eventos de crecida•  El objetivo es aprovechar de la variabilidad en concentración de sedimentos: almacenar el agua limpia y pasar el agua túrbia.
  83. 83. Pasar Sedimentos por Corriente de TurbiedadCorriente de turbiedad puede pasar sedimentos finos Punto de Sumergencia Cambio en color, confluencia del influjo y la contra-corriente, acumulación de material flotante. Lago de Fango Agua túrbia Agua Clara Delta Corriente túrbia
  84. 84. Liberación de Corrientes de Turbiedad:A pesar de tener corrientes de turbiedad, de turbinar los sedimentos finosasociados con la corriente de turbiedad, no se desarrolla el patrón desedimentación de un lecho horizontal cercano a la represa, ya que lasaguas turbias están liberadas. Nivel del vertedero dad eTurbie e nte d Corri
  85. 85. Pasar Sedimento através del Embalse Bajar el nivel dentro del embalse durante crecidas para aumentar velocidad y minimizar deposición de sedimentos.Operaciónconvencional, Velocidad Bajanivel alto y bajavelocidad. Atrapando Sedimento: Al mantener el nivel de agua alto, la velocidad es bajo y se atrapa el sedimento. d Alta VelocidaAbre compuertapara minimizarnivel y maximizarvelocidad. Pasar Sedimento: Velocidad alta minimiza el potencial para deposición de sedimento. Este método no necesariamente puede lograr un balance con los sedimentos gruesos.
  86. 86. Pasar Sedimento por Reducción en NivelReducción en nivel durante crecidas•  Requiere predicción hidrológica de la inundación•  Limitar flujo durante el vaciado inicial para no aumentar crecida aguas abajo•  Re-llenar embalse al final del evento. Lago Loíza Puerto Rico
  87. 87. Impacto de Manejar Compuertas en la velocidad del flujo através del embalse durante crecidas. Mayor Velocidad = Menos Sedimentación Ancho del Embalse Velocidad de Flujo con un caudal de 10,000 pies3 /segVelocidad (pies/seg) 10 5 Compuertas completamente abiertas Compuertas parcialmente abiertas 0 10,000 20,000 Distancia Aguas Arriba de la Represa (pies)
  88. 88. Secuencia de Operaciones: Pasar una CrecidaA. Normal Operation B. Begin Drawdown Partial Gate Opening Volume in Reservoir = 100 Volume in Reservoir = 70 Volume in Volume in Q Watershed < 10 Q Watershed = 30 Sediment 0 24 0 24 Hours Hours C. Full Drawdown D. Refill Reservoir Gates Fully Open Gates Closed Volume in Reservoir = 10 Volume in Reservoir = 10 Volume in Volume in Q Watershed > 90 Q Watershed = 90 0 24 0 24 Hours Hours
  89. 89. Pasando Sedimentos Por Vaciado Prolongado(Embalse Sanmenxia,Río Amarillo, China)Embalse está vaciado cuando empiezan los meses de flujo altoSe cierre a mitad de la estación húmeda para llenar el embalse
  90. 90. SanmenxiaConfiguración de compuertas de fondo Crest =702 m Túneles Bocatomas Compuertas de fondo Convertidas para pasar sedimentos 12 - 3x2 m Compuertas de fondo 8 - 3x2 m
  91. 91. Pasando Sedimentos Durante Crecidas Embalse Sanmenxia, Río Amarillo, China Flujo Compuertas de Fondo
  92. 92. Pasando Sedimentos Durante Crecidas Embalse Sanmenxia, Río Amarillo, China
  93. 93. Remoción de Sedimentos:(Remover sedimentos una vez depositados)Lavado de Sedimentos ( flushing )• Requiere vaciar el embalse• Mantiene un volumen limitado• Impactos ambientales dependen de cada circunstanciaDragado• No requiere vaciado del embalse• No sustentable a menos que hay sitio de disposición permanente
  94. 94. Lavado de Sedimentos Vaciado completo para socavar sedimento•  Vaciado parcial es inefectivo. Se requiere un vaciado completo para desarrollar un flujo de alta velocidad a lo largo del embalse y através de la compuerta de fondo. –  Gasto del agua para vaciar el embalse –  Ancho del canal de socavación está limitado –  La energía requerída para un lavado efectiva no es siempre disponible •  Aprovechar eventos de influjo natural, ó •  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, navegación, recreo y turismo, pesca) •  Costo de oportunidad del agua utilizada (valor de un uso alterna, como la producción de energía)
  95. 95. •  El ancho del canal dentro del embalse está limitado, aproximadamente, a la dimensión del cauce del río previa a la construcción de la represa.•  Capacidad de transporte de sedimento grueso está limitado por el caudal y duración 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. Acumulación de sedimento sigue sobre planicie inundable Nivel de sedimento sumergida. No se remueve previo al lavado por el lavado. Nivel Embalse Lleno Canal de Lavado Acumulación por corrientes de turbiedad son removidas Ancho del canal durante el lavado. pre-embalse.
  96. 96. Lavado de Sedimentos(Embalse Cachí, Costa Rica)
  97. 97. Cachí Durante Vaciado
  98. 98. Cachí Durante Vaciado
  99. 99. Sedimentos acumulados sobre la planicie sumergidano son removidas mediante el proceso de lavado
  100. 100. Canal aguas arriba Agua de lavado, de la presa, ancho concentración limitado. máxima de ~400,000 mg/l)Tomaparahidro Caudal y duración durante el lavado es insuficiente para transportar mucho de la carga de arrastre. Embalse Cachí, Costa Rica
  101. 101. Lavado produce concentraciones muy elevados de sedimentos en suspensión aguas abajo de la presa Concentración máx. > 100 g/L Vaciado Socavación de Re-llenado del sedimentos EmbalseConcentración, Nivel Nivel de agua en el embalse Conc. Sedimentos Suependidos aguas abajo. Tiempo
  102. 102. 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.Balance de Sedimentos, Embalse Sujeto a un LavadoAnnual de 3-días de Duración (Embalse cachí, 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% 28% del influjo de sedimentos queda atrapados
  103. 103. Se puede mantener capacidad original mediante lavado solamente en embalses estrechos.Gebidem, SuizaEmbalse hidroelécricocon lavado anual Vista aguas arriba de la represa
  104. 104. Massa Gorge Sedimentos depositados resultante al lavado del embalse GebidemGebidem, SuizaEmbalse hidroelécricocon lavado anual
  105. 105. Reducción en Nivel en Kali Gandaki, Nepal (6 horas duración)
  106. 106. Excavación manual e hidráulicaYahuecas, Puerto Rico
  107. 107. Dragado Hidráulica – Factores Limitantes:1. Costo de la operación2. Donde disponer del material •  Area de disposición •  Río abajo de la represa Descarga de sedimento Tubería (con estaciones de bombeo adicionales si fuera necesario)
  108. 108. Componentes de un Sistema de Dragado 13 14 15 11 12 13 Area Disposición 10 9 Draga Hidráulica 1 8 5 4 6 7 2 3 Deposits after dredging
  109. 109. Draga Hidráulica Cortadora Bomba adicional
  110. 110. Dragado continuo con descarga al río aguas debajo de la presa:• Minimice problemas ambientales porque nunca descarga unacantidad masiva de sedimentos.• Otro factor favorable es que hay poco sedimentos finos. Bajo Anchicayá, Colombia
  111. 111. Draga de Sifón, Embalse Valdesia, República Dominicana
  112. 112. Descarga de fondo de la draga de SifónEmbalse Valdesia,República Dominicana
  113. 113. Análisis de Utilización al Largo Plazo Embalse Peligre, Haití
  114. 114. Estrategia para los Próximos 100-añosEmbalse Peligre, Haití
  115. 115. Cuenca Peligre Atlantic Ocean 6480 km2 Haiti Dominican Republic Irrigation Area Caribbean Sea Zona de riego,Valle del Artibonite Represa Peligre Embalse Peligre, Haiti: Hidroeléctrica, suplido de riego, control de inundaciones
  116. 116. Influjo diaria hacia el embalse
  117. 117. Variación en el Nivel del Embalse Resultante de Operaciones Hidroeléctricas
  118. 118. Interrogante: Para cuanto tiempo podrá funcionar el central hastaque su operación está imposibilitada por la sedimentación. En 2008, luego de 52 años de operación, el embalse había perdida 50% de su volumen original.
  119. 119. Peligre, Haiti, durante vaciado
  120. 120. Peligre, Haiti, durante vaciadoMirando aguas arriba de la presa
  121. 121. Uno de las problemas en Peligré es que la ubicación delas compuertas de fondo no limpian la zona frente lasbocatomas Tope 175.55 m Vertedero El. 167 m Nivel Normal 172 m Bocatomas Compuertas de Fondo
  122. 122. Secciones Transversales para Estudio Batimétrica Presa
  123. 123. Trabajo de campo de batimetría para determinar el patrón de sedimentación actual GPS en canoa de tronco Acceso realizado a pie, por canoa, y balsa inflable
  124. 124. Pérfiles de Sedimentación PRESA Sedimentosavanzando hacia el Perfil de embalse sedimentos 180 año 2008 1980 2008 170 160 Elevation  (m) 150 140 130 Perfil de XS-22 XS-23 XS-21 XS-10 XS-12 XS-13 XS-14 XS-15 XS-16 XS-17 XS-18 XS-19 XS-20 XS-11 XS-4 XS-6 XS-7 XS-8 XS-9 sedimentos XS-2 XS-1 120 Presa 0 5 10 15 Distance  Above  Dam  (km) año1980 25 20 30
  125. 125. Depósitos de sedimentos 22 km aguas arriba de la presa (foto tomado durante reducción en nivel, mayo 2008) La mayor sedimentación ocurre en las riberas del canal.La planicie de sedimentosse utiliza para agricultura durante la reducción annual en nivel.
  126. 126. Depositos de sedimentos 15 km aguas arriba de la presa (foto tomado durante la reducción en nivel, Mayo 2008) Mucho menossedimentación a medida que se aleja del canal.
  127. 127. Menos sedimento cercano a la represa (foto durante reducción en nivel, mayo 2008) Represa
  128. 128. Sand Silt Clay 100 90 Muestra analizada con defloculante y 80 Muestra agua destilada 70 analizada en agua del Percent  Passing   (%) 60 embalse sin defloculante 50 40 30 20 10 0 1 0.1 0.01 0.001 Diameter  (mm)Efecto de floculación de arcilla en modificar el diámetro efectivo desedimentación de los sólidos suspendidos en el embalse Peligre.Muestra dividida analizada por método de hidrómetro, uno con agua del embalse y otro condefloculante en agua destilada (método normal de laboratoria para el análisis de suelos).
  129. 129. Cambio en Volumen con el Tiempo:Tasa de sedimentación se reduce según disminuya el volumen. Peligre Reservoir Storage Volume Variation (Mm³) 350.0 300.0 Potencial de estabilizar la capacidadVolumen (Mm3) 250.0 Storage (Mm³) 200.0 Sediment Flushing Raise Dam with 150.0 Normal Operation Raise dam with Flushing 100.0 Normal Operation 50.0 0.0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Simulation Time (Yr) Tiempo (años)
  130. 130. Dam Raise with Sediment Flushing Model Dam Raise with Normal Operation Model Sediment Flushing Model Normal Operation ModelFigure 33: Projected variation in trap efficiency with time, per sediment transport simulations.
  131. 131. Predicción de Perfiles, Simulación de 100 años (modelo SRH-1D, USBR) Perfil año 2108 Peligre  Reservoir  Projected  Sediment  Accumulation 180 2008  Bathymetry 10  Yr 20  Yr 30  Yr 45  Yr 60  Yr 100  Yr Normal Pool Elevation 172 m 170 160Elevation  (m) 150 Perfil 2028 Perfil 2008 140 XS-18 XS-16 XS-15 XS-10 XS-13 XS-12 XS-11 XS-14 XS-17 XS-19 XS-1 XS-7 XS-5 XS-4 XS-2 XS-9 XS-8 XS-6 XS-3 130 Presa 120 0 5 10 15 20 25 30 Distance  Above  Dam  (Km)
  132. 132. Modificación de nivel mínimo operacional:• Enfocar sedimentación más lejos de la bocatoma• Aumentar carga hidráulica para producción de energía Nivel mínimo operacional propuesto = 160 m Nivel mínimo operacional actual = 153 m
  133. 133. Gregory L. Morrisgmorris@gmaeng.com www.gmaeng.com Recurso Técnico - Gratis PDF del libro de 748 páginas Reservoir Sedimentation Handbook McGraw-Hill Book Co., New York www.reservoirsedimentation.com

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