Clase 5 Embalse Con Orificios de purga

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Dimensionamiento de una presa, orificios de purga y comportamiento sedimentológico del embalse 
Se ha realizado un dimensionamiento de los orificios de purga, en base a las fórmulas teóricas conocidas y a experiencias de investigaciones en modelos físicos. El análisis incluye una modelación numérica de las alternativas planteadas con la finalidad de determinar los parámetros hidráulicos y sedimentológicos en condiciones de operación normal y de purga.
1. Objetivos
1. Predimensionar la presa que formará el embalse de acuerdo con descargas de fondo
2. Criterios de Diseño
Se tienen las siguientes consideraciones para el dimensionamiento, que permiten contar con el volumen útil requerido y poder mantenerlo durante la operación de la central hidroeléctrica:
· En las alternativas que contemplen orificios de purga, éstos deben estar situados por lo menos a 10 metros por encima del fondo, es decir su solera ubicada como mínimo en la cota 1555 msnm. Este criterio se basa en que los niveles de agua y sedimentos aguas debajo de la descarga de los orificios no obstruya su salida.
· La toma estará ubicada a 2 m por encima del nivel del techo de los orificios de purga, de existir éstos.
· La toma debe tener dimensiones suficientes para captar el caudal de diseño de 250 m3/s.
· La toma debe tener garantizada una sumersión de 2 m de carga para la captación del caudal de diseño 
· El volumen útil necesario en el embalse es de 1.5 hm3.
· Coeficiente de descarga para dimensionar los orificios de purga igual a 0.84.
· Caudal de avenidas con Tr = 10,000 años
· Sedimentos de 2 cm en el embalse
· Velocidades mayores a 10 m/s ( Tesis Luis Chira)
3. Caudales de diseño
Figura 1. Caudales máximos anuales versus período de retorno para el sitio
4. Curva Cota Volumen
 
Figura 2. Curva cota – volumen total acumulado del embalse
Figura 3. Sección donde se ubicará la presa 
· La cota de fondo absoluta de la presa está fijada por la cota topográfica de la sección 7+300 que la alberga: 1545 msnm. 
5. Modelamiento numérico de apoyo al predimensionamiento
Se ha usado el programa SSIIM (Sediment Simulation In Intakes with Multiblock option), que modela la zona de estudio por medio de una malla y parámetros como topografía, caudal, rugosidad, entradas y salidas de agua, etc. y arroja resultados de velocidades horizontales, verticales, de corte, parámetros de turbulencia, tirantes de agua, etc. No se ha utilizado el modelo con corridas en presencia de sedimentos.
El cuerpo de agua modelado abarca desde aproximadamente 1000 m aguas arriba de la presa hasta la obra misma y desde la cota 1545.00 m.s.n.m. hasta la 1583.00 m.s.n.m (Figura 4 y Figura 5). 
Los casos simulados se clasifican en dos: operación normal y purga. Para el primer caso, la malla computacional consta de 300 secciones transversales, 64 longitudinales y 11 verticales; mientras que para el segundo varía en el número de secciones longitudinales, que disminuyen a 35.
Presa
Figura 4. Malla computacional del embalse Chaglla.
Figura 5. Curvas de nivel del cauce del embalse.
Presa
Figura 6. Vista tridimensional aguas arriba de la presa.
6. Predimensionamiento de las alternativas
Se ha realizado un dimensionamiento de los orificios de purga, en base a las fórmulas teóricas conocidas, experiencia en obras y a investigaciones en modelos físicos.
Se han analizado caudales y condiciones diferentes en obras hidráulicas realizadas en laboratorio del Instituto de Hidráulica, Hidrología e Ingeniería Sanitaria de la Universidad de Piura, como el Embalse Tablachaca y la Presa Puente Cincel. 
7. Análisis de la purga
El funcionamiento de la presa durante los procesos de purga anuales se analizará con el caudal máximo anual, equivalente al de período de retorno un año 475 m3/s y también se analizará mediante modelación numérica la capacidad de arrastre de cada alternativa.
8. Presa descargas de fondo
Predimensionamiento
Según lo planteado en los puntos anteriores:
· A partir de la cota 1555 msnm se ubican 3 descargas de fondo de 9 m de ancho por 7 m de altura, llegando a la cota 1562 msnm. 
· Dejando un margen de 2 m para garantizar la no colmatación de la toma, ésta se ubica entre las cotas 1564 y 1569 msnm. 
· 2 m de sumersión de la toma para garantizar la captación, y a partir de allí se considera el volumen útil 
· La toma tendrá dimensiones 4 m de base y 5 m de altura
· De acuerdo a la curva cota – volumen se ha determinado que el volumen útil de 1.5 hm3, estaría entre las cotas 1571 y 1583.1 msnm
· Presa de 38.1 m, que va desde la cota 1545 msnm hasta la cota 1583.1 msnm. 
La ubicación de las descargas está entre las cotas 1555 y 1562 msnm. La descarga Nº 2 tiene el extremo derecho alineado con el eje de la sección, mientras que las otras dos se sitúan separadas 11 m de la anterior (Figura 6).
Las tres descargas de fondo poseen capacidad suficiente para evacuar el caudal de avenidas con Tr = 10,000 años y la segunda condición es que en la purga anual funcionen a superficie libre. A pesar de que hidráulicamente basta con orificios de 8 m de base por 6 m de altura, se les ha dejado dimensiones mayores por necesidades de purga (Tabla 3 y Figura 6).
Figura 6. Alternativa N° 1.
Tabla 1. Determinación de las cotas para el volumen útil de 1.5 hm3 en la alternativa N° 1.
Figura 7. Determinación del volumen útil en la alternativa N° 1.
La Tabla 2 resume las cotas características de este planteamiento.
Tabla 2. Cotas características del planteamiento de la alternativa N° 1.
Tabla 3. Cálculo hidráulico de la alternativa 1
Análisis de operación normal
Se han modelado tres orificios de fondo (9.0 m de ancho por 7.0 m de alto) con cota de solera 1555.00 m.s.n.m. 
· Nivel de agua: 1583.10 m.s.n.m.
· Caudal de entrada: 2000 m3/s
· Descarga de salidas de fondo: 666.67 m3/s c/u. 
· Malla computacional: 300 secciones transversales, 64 longitudinales y 11 verticales.
Resultados
Los esfuerzos cortantes resultantes (N/m2) en el fondo del embalse se presentan en la Figura 8, la Figura 9 y la Figura 10.
3
Figura 8. Esfuerzos de corte (N/m2) en el fondo del embalse, operación normal, alternativa Nº 1.
Figura 9. Sección transversal aguas arriba de presa. Operación normal, alternativa Nº 1.
Figura 10. Líneas de corriente a la altura de las salidas de fondo. Operación normal, alternativa Nº 1.
Análisis de purga
La cota de ingreso a los conductos de descarga es la 1555 msnm, el nivel de agua ha sido estimado en 1560 msnm.1555.00 
1560.00 
Q = 475 m3/s
Figura 11. Condición de purga de la alternativa 1.
Se han modelado tres orificios de fondo (9.0 m de ancho por 7.0 m de alto) con cota de solera 1555.00 m.s.n.m. 
· Nivel de agua: 1556.65 m.s.n.m.
· Caudal de entrada: 475 m3/s
· Descarga de salidas de fondo: 158.33 m3/s c/u
· Casos simulados: 
· Situación sin colmatar, fondo en 1545 m.s.n.m. (1-P-sc)
· Colmatada, fondo en 1555 m.s.n.m. (1-P-c)
Resultados
Los esfuerzos cortantes resultantes (N/m2) en el fondo del embalse se presentan en la Figura 12 y Figura 14).
Figura 12. Esfuerzos de corte (N/m2) en el fondo del embalse. Alternativa Nº 1, Purga: Fondo 1545 msnm, sin colmatar.
Figura 13. Velocidades (m/s) en el fondo del embalse. Alternativa Nº 1, Purga: Fondo 1545 msnm, sin colmatar.
Figura 14. Esfuerzos de corte (N/m2) en el fondo del embalse. Alternativa Nº 1, Purga: Fondo 1555 msnm, colmatado.
Figura 15. Velocidades (m/s) en el fondo del embalse Alternativa Nº 1, Purga: Fondo 1555 msnm, colmatado.
Comentarios
1. La operación normal genera la sedimentación del embalse, debido a que los esfuerzos cortantes en el fondo varían entre 3 a 6 N/m2, valores que permiten la decantación de partículas a partir del tamaño de 2.94 mm (Figura 8).
2. La operación de purga puede arrastrar partículas de 10 cm en una longitud aproximada a 150 m y puede arrastrar partículas de 2.2 cm a lo largo de todo el embalse (Figura 14). Se espera que estos tamaños sean los predominantes en el embalse, por lo que se estima que la purga puede sereficiente.
3. La operación para mantener el nivel de operación normal en la cota 1583.1 m.s.n.m es difícil debido a que para cualquier pequeña variación del caudal en el río deberán de operarse las compuertas de los orificios de purga.
4. En caso de obstrucción de los orificios de fondo se presentarán sobreelevaciones que pueden ser peligrosas para la estructura.
ANEXO 
Determinación del coeficiente de descarga
21
ANEXO : Determinación del coeficiente de descarga
Se han analizado caudales y condiciones diferentes en obras hidráulicas como el Embalse Tablachaca y la Presa Puente Cincel, obteniéndose un coeficiente de descarga promedio de c= 0.84.
Embalse Tablachaca
El embalse de Tablachaca inició su operación en el año 1973, conjuntamente con la puesta en servicio de la primera etapa (342 MW) de la central Santiago Antúnez de Mayolo (SAM) del Complejo Mantaro. La segunda etapa de la central SAM (456 MW) se puso en servicio en 1978 y a fines de 1984 inició su operación la central Restitución (RON), con 210 MW instalados, que constituye la segunda central del Complejo Mantaro, el cual dispone en la actualidad de un total de 1008 MW instalados.
El embalse de Tablachaca permite regular en forma diaria y semanal los caudales del río Mantaro y su volumen total disponible inicial fue del orden de los 17 hm3, siendo el volumen útil actual de aproximadamente 7,53 hm3.
Figura 26. Planta de la presa Tablachaca.
Figura 27. Presa mostrando los 4 alivios y las 4 compuertas.
Figura 28. Sección de la presa mostrando el alivio A3.
Figura 29. Sección de la presa Tablachaca mostrando el alivio A4.
Tabla 10. Cálculo del coeficiente de descarga promedio en el Embalse Tablachaca.
Presa Puente Cincel
La Presa Puente Cincel está ubicada en el río Chili, a 2.5 km aguas debajo de la descarga de la C.H. Charcani V regula el caudal turbinado mediante un reservorio de 0.3 hm3 durante la operación de 5 horas punta.
Con la finalidad de mantener en el río un curso casi inalterado respecto a su estado natural, la presa incluye dos salidas de fondo que tienen una sección de 4.0 m por 4.2 m cada una y son controladas por compuertas radiales (Figura 30, Figura 31 y Figura 32).
Sus registros de caudales y niveles han permitido estimar el coeficiente de descarga (Figura 33 y Tabla 11), obteniéndose c= 0.84.
Figura 30. Presa Puente Cincel. Diseño 1. Vista frontal.
Figura 31. Presa Puente Cincel. Diseño 1.
Figura 32. Presa Puente Cincel. Diseño 2.
Figura 33. Vista de las descargas de fondo operando.
Tabla 11. Cálculo del coeficiente de descarga promedio en la Presa Puente Cincel.
image2.emf
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
110100100010000
Tr (años)
Caudal (m3/s)
image3.emf
1.520 1.540 1.560 1.580 1.600 1.620 1.640 1.660 1.680 01020304050
Cota (msnm)Volumen total acumulado (hm3)
image4.emf
1.540 1.560 1.580 1.600 0,00,51,01,52,0
image5.png
image6.png
image7.png
image8.png
image9.png
image10.wmf
Volumen 
Parcial
 Cota 
 h 
Vol. total 
acumulado
Volumen útil 
Alternativa 1
hm3
 msnm 
 m 
hm3
1,571.0
 
 
0.000
1,545.0
 
 
-
 
 
0.00
0.030
1,550.0
 
 
5.0
 
 
0.03
0.080
1,555.0
 
 
10.0
 
 
0.11
0.160
1,560.0
 
 
15.0
 
 
0.27
0.250
1,565.0
 
 
20.0
 
 
0.52
1,565.4
 
 
20.4
 
 
0.54
1,568.0
 
 
23.0
 
 
0.71
0.360
1,570.0
 
 
25.0
 
 
0.88
1,571.0
 
 
26.0
 
 
0.96
0.00
1,574.0
 
 
29.0
 
 
1.26
0.30
0.490
1,575.0
 
 
30.0
 
 
1.37
0.41
1,577.0
 
 
32.0
 
 
1.61
0.65
0.630
1,580.0
 
 
35.0
 
 
2.00
1.04
1,583.1
 
 
38.1
 
 
2.46
1.50
0.790
1,585.0
 
 
40.0
 
 
2.79
1.83
1,587.0
 
 
42.0
 
 
3.15
2.19
0.990
1,590.0
 
 
45.0
 
 
3.78
2.82
1,592.3
 
 
47.3
 
 
4.29
3.33
1.220
1,595.0
 
 
50.0
 
 
5.00
4.04
1,596.1
 
 
51.1
 
 
5.28
4.32
1,598.0
 
 
53.0
 
 
5.80
4.84
1.470
1,600.0
 
 
55.0
 
 
6.47
5.51
1,602.0
 
 
57.0
 
 
7.10
6.14
1.720
1,605.0
 
 
60.0
 
 
8.19
7.23
2.000
1,610.0
 
 
65.0
 
 
10.19
9.23
2.300
1,615.0
 
 
70.0
 
 
12.49
11.53
2.600
1,620.0
 
 
75.0
 
 
15.09
14.13
2.930
1,625.0
 
 
80.0
 
 
18.02
17.06
3.250
1,630.0
 
 
85.0
 
 
21.27
20.31
3.560
1,635.0
 
 
90.0
 
 
24.83
23.87
3.900
1,640.0
 
 
95.0
 
 
28.73
27.77
4.240
1,645.0
 
 
100.0
 
 
32.97
32.01
4.680
1,650.0
 
 
105.0
 
 
37.65
36.69
5.110
1,655.0
 
 
110.0
 
 
42.76
41.80
5.460
1,660.0
 
 
115.0
 
 
48.22
47.26
image11.wmf
1.540 
1.550 
1.560 
1.570 
1.580 
1.590 
1.600 
1.610 
0
0,3
0,6
0,9
1,2
1,5
1,8
2,1
2,4
2,7
3
3,3
3,6
3,9
4,2
4,5
4,8
5,1
5,4
5,7
6
Volumen útil Alternativa 1
Vol. total acumulado
image12.wmf
Descripción
msnm
Fondo
1545
1555
1562
1564
1569
Volumen muerto
1571
Volumen útil
1583.1
Carga h (m)
28.1
Descargas a =7m
Toma a = 5m
image13.wmf
Aa
Va
E Va
base
altura
As
E Vs
Vs
m
m2
m/s
m
m
m
m2
m
m/s
m3/s
años
0.84
28.1
2,837
 
 
0.88
 
 
0.04
3
8
6
144
22.1
20.8
2,521
 
 
10,000
 
 
0.84
28.1
2,837
 
 
0.88
 
 
0.04
3
9
7
189
21.1
20.4
3,233
 
 
> 10000
Cantidad
Tr
Q
Descargas
Zona aproximación
c
H
image14.png
image15.png
image16.png
image17.png
image18.png
image19.png
image20.png
image21.png
image22.png
image23.png
image24.png
image25.wmf
Alivio
base
altura
área
abertura
altura
área
nivel 
agua
 nivel 
entrada 
H
H-a
Vs (m/s)
Q teórico
Q real
C
1
4
5.6
22.4
42%
2.35
 
 
9.41
 
 
2676
2,656.0
 
 
20
17.65
 
 
18.6
 
 
175.1
 
 
126.0
 
 
0.72
 
 
2
4
5.6
22.4
2676
2,665.5
 
 
10.5
3
4
5.6
22.4
2676
2,656.0
 
 
20
4
4
2.5
10.0
100%
2.50
 
 
10.00
 
 
2676
2,653.5
 
 
22.5
20.00
 
 
19.8
 
 
198.1
 
 
183.0
 
 
0.92
 
 
373.2
 
 
309.0
 
 
0.83
 
 
Alivio
base
altura
área
abertura
altura
área
nivel 
agua
 nivel 
entrada 
H
H-a
Vs (m/s)
Q teórico
Q real
C
1
4
5.6
22.4
2676
2,656.0
 
 
20
2
4
5.6
22.4
2676
2,665.5
 
 
10.5
3
4
5.6
22.4
38%
2.13
 
 
8.51
 
 
2676
2,656.0
 
 
20
17.87
 
 
18.7
 
 
159.4
 
 
125.5
 
 
0.79
 
 
4
4
2.5
10.0
100%
2.50
 
 
10.00
 
 
2676
2,653.5
 
 
22.5
20.00
 
 
19.8
 
 
198.1
 
 
183.0
 
 
0.92
 
 
357.5
 
 
308.5
 
 
0.86
 
 
Alivio
base
altura
área
abertura
altura
área
nivel 
agua
 nivel 
entrada 
H
H-a
Vs (m/s)
Q teórico
Q real
C
1
4
5.6
22.4
100%
5.60
 
 
22.40
 
 
2676
2,656.0
 
 
20
14.40
 
 
16.8
 
 
376.5
 
 
326.0
 
 
0.87
 
 
2
4
5.6
22.4
2676
2,665.5
 
 
10.5
3
4
5.6
22.4
85%
4.76
 
 
19.04
 
 
2676
2,656.0
 
 
20
15.24
 
 
17.3
 
 
329.2
 
 
244.2
 
 
0.74
 
 
4
4
2.5
10.0
100%
2.50
 
 
10.00
 
 
2676
2,653.5
 
 
22.5
20.00
 
 
19.8
 
 
198.1
 
 
183.0
 
 
0.92
 
 
903.8
 
 
753.2
 
 
0.83
 
 
Alivio
base
altura
área
abertura
altura
área
nivel 
agua
 nivel 
entrada 
H
H-a
Vs (m/s)
Q teórico
Q real
C
1
4
5.6
22.4
2676
2,656.0
 
 
20
2
4
5.6
22.4
2676
2,665.5
 
 
10.5
3
4
5.6
22.4
100%
5.60
 
 
22.40
 
 
2676
2,656.0
 
 
20
14.40
 
 
16.8
 
 
376.5
 
 
313.3
 
 
0.83
 
 
4
4
2.5
10.0
100%
2.50
 
 
10.00
 
 
2676
2,653.5
 
 
22.5
20.00
 
 
19.8198.1
 
 
183.0
 
 
0.92
 
 
574.6
 
 
496.3
 
 
0.86
 
 
Alivio
base
altura
área
abertura
altura
área
nivel 
agua
 nivel 
entrada 
H
H-a
Vs (m/s)
Q teórico
Q real
C
1
4
5.6
22.4
100%
5.60
 
 
22.40
 
 
2676
2,655.0
 
 
21
15.40
 
 
17.4
 
 
389.4
 
 
326.0
 
 
0.84
 
 
2
4
5.6
22.4
2676
2,665.5
 
 
10.5
3
4
5.6
22.4
100%
5.60
 
 
22.40
 
 
2676
2,655.0
 
 
21
15.40
 
 
17.4
 
 
389.4
 
 
313.3
 
 
0.80
 
 
4
4
2.5
10.0
100%
2.50
 
 
10.00
 
 
2676
2,652.0
 
 
24
21.50
 
 
20.5
 
 
205.4
 
 
183.0
 
 
0.89
 
 
984.1
 
 
822.3
 
 
0.84
 
 
0.84
 
 
image26.jpeg
image27.jpeg
image28.jpeg
image29.jpeg
image30.wmf
Diseño 1
Nivel agua
Nivel entrada
H (m)
a
H-a (m)
Aa
Va
E va
E vs
Vs (m/s)
As (m2)
Q teórico
Q real
c
2,863.94
 
 
2,843.25
 
 
20.69
 
 
4.2
 
 
16.49
 
 
484.13
 
 
1.03
 
 
0.05
 
 
16.54
 
 
18.0
 
 
33.6
 
 
605.3
 
 
500.0
 
 
0.83
 
 
2,857.70
 
 
2,843.25
 
 
14.45
 
 
4.2
 
 
10.25
 
 
338.13
 
 
1.18
 
 
0.07
 
 
10.32
 
 
14.2
 
 
33.6
 
 
478.1
 
 
400.0
 
 
0.84
 
 
2,853.10
 
 
2,843.25
 
 
9.85
 
 
4.2
 
 
5.65
 
 
230.49
 
 
1.30
 
 
0.09
 
 
5.74
 
 
10.6
 
 
33.6
 
 
356.5
 
 
300.0
 
 
0.84
 
 
2,849.89
 
 
2,843.25
 
 
6.64
 
 
4.2
 
 
2.44
 
 
155.38
 
 
1.29
 
 
0.08
 
 
2.52
 
 
7.0
 
 
33.6
 
 
236.5
 
 
200.0
 
 
0.85
 
 
2,848.05
 
 
2,843.25
 
 
4.80
 
 
4.2
 
 
0.60
 
 
112.32
 
 
0.89
 
 
0.04
 
 
0.64
 
 
3.5
 
 
33.6
 
 
119.1
 
 
100.0
 
 
0.84
 
 
0.84
 
 
Diseño 2
Nivel agua
Nivel entrada
H (m)
a
H-a (m)
Aa
Va
E va
E vs
V (m/s)
Área (m2)
Q teórico
Q real
c
2,866.06
 
 
2,845.76
 
 
20.30
 
 
4.2
 
 
16.10
 
 
475.03
 
 
1.05
 
 
0.06
 
 
16.16
 
 
17.8
 
 
33.6
 
 
598.2
 
 
500.0
 
 
0.84
 
 
2,860.00
 
 
2,845.76
 
 
14.24
 
 
4.2
 
 
10.04
 
 
333.22
 
 
1.20
 
 
0.07
 
 
10.11
 
 
14.1
 
 
33.6
 
 
473.3
 
 
400.0
 
 
0.85
 
 
2,855.50
 
 
2,845.76
 
 
9.74
 
 
4.2
 
 
5.54
 
 
227.92
 
 
1.32
 
 
0.09
 
 
5.63
 
 
10.5
 
 
33.6
 
 
353.1
 
 
300.0
 
 
0.85
 
 
0.84