GRUPO INGENIERIA HIDRAULICA

DE MÉXICO

PRESA Y CENTRAL HIDROELÉCTRICA

PRIMER ANTEPROYECTO

MÉXICO, SEPTIEMBRE 2001

INDICE

Contenido Página

1. INTRODUCCIÓN

PRESENTACIÓN

Las frecuentes inundaciones a las que por muchos años se enfrentaron los productores agropecuarios, así como los habitantes de comunidades, poblados y hasta de las ciudades más desarrolladas, dejaban siempre grandes perjuicios económicos y en ocasiones, incluso, la pérdida de vidas humanas. El desarrollo socioeconómico estaba, por lo tanto, frenado a pesar del dinamismo e ingenio de los habitantes.

Fue hasta cuando se construyeron obras principalmente presas. Aun cuando esta infraestructura aportó grandes beneficios y permitió el despegue económico de la zona, no fue suficiente para el control de las inundaciones en virtud de las crecientes de las aguas, y exigió la construcción de una presa adicional que permitiera un control más adecuado de las avenidas.

El sector hidráulico mientras tanto, venía estudiando desde hacía varías décadas diversos sitios, para la construcción de esa obra y, al mismo tiempo, analizando esquemas de financiamiento que permitieran su realización con una recuperación económica derivada de la extensión de tierras de cultivo con riego agrícola, así como producción de energía eléctrica. Nace así el proyecto de la presa y central hidroeléctrica.

En este documento se registra el primer anteproyecto, presentando una breve reseña de sus antecedentes. Este primer anteproyecto, fue posible gracias a la participación y dedicación de técnicos, ingenieros y administradores, quienes a lo largo de su construcción mostraron su capacidad y alto sentido de responsabilidad para cumplir un anhelo de la región.

La presa viene a constituir un elemento clave para aprovechar en forma integral el escurrimiento de esta importante cuenca.

La obra tiene objetivos múltiples:

• Controlar avenidas, ya que es posible reducir al mínimo posible los daños en los valles aguas abajo del sitio de la presa.

• Generación de energía eléctrica, con una potencia instalada de 18.718 MW, y generación media anual de 63.95 GWh, lo cual permite participar de manera importante en el suministro de energía eléctrica durante las horas pico.

• Desarrollo de las áreas de la acuacultura y recreación.

• Beneficios

• Generación

La planta hidroeléctrica tiene una capacidad instalada de 18.718 MW y participará de manera importante en el suministro de energía eléctrica durante las horas pico. Según estudios hidrológicos realizados, en los que se supone un factor de planta de 0.5 se estima una generación media anual de 63.95 GWh.

• Control de crecientes

En el río se presentan periódicamente avenidas ocasionadas por tormentas y deshielos durante el invierno, o por efecto de tormentas tropicales y ciclónicas en el verano. La avenida máxima registrada cuyo gasto fue de 3500 m3/s.

Estas avenidas extraordinarias han ocasionado graves daños a los cultivos, a la infraestructura de riego, a las vías de comunicación, a la ganadería e inclusive a las poblaciones ribereñas.

La presa, con su capacidad de control de avenidas de 112 millones de m3, permite incrementar la capacidad de control del sistema.

En consecuencia, de acuerdo a las condiciones de diseño y operación establecidas, las avenidas históricamente grandes que han ocurrido pueden ser reguladas.

• Acuacultura y recreación

Otros beneficios de la presa se refieren al desarrollo de actividades de acuacultura y recreación. Teniendo como proyectos la explotación de especies piscícolas en el vaso de la presa, entre las que se pueden contar con bagre, lobina, carpa y mojarra y llega a ser de importancia económica su comercialización.

Las actividades recreativas son de tomarse en consideración: el ejemplo se tiene en la ciudad, que es visitada frecuentemente por grupos de turistas nacionales y extranjeros.






• ANTECEDENTES

• Estudios

Como inicio de los estudios destinados a la construcción de una obra para aprovechamiento hidráulico, la entonces Comisión Nacional de Irrigación y la CFE realizaron trabajos preliminares en ese lugar, como levantamientos topográficos, investigaciones hidrométricas, estudios hidrológicos y del subsuelo y otros de carácter social.

Con base en los resultados de estas investigaciones y estudios, se formulo este primer anteproyecto de obras hidráulicas; la dependencia proyectó, en el cual tomaron la consideración de no superar con el NAME la elevación 531.60 m.s.n.m* con el objeto de no afectar obras de comunicación aguas arriba del sitio.

• Esquema del proyecto

La CNA preparó un plano general y de localización del proyecto de la presa, que sirvió, en primera instancia, para discutir la estrategia de construcción y financiamiento. Este plano contiene, además de la información general acostumbrada, una relación de cantidades de obra estimadas, separadas por cada parte de la presa.

En lo sucesivo todas las elevaciones estarán expresadas en metros sobre el nivel del mar (m.s.n.m)

• Datos de proyecto

Las características principales de dicho proyecto se describen en la tabla 2.1

Tabla 2.1 Datos de proyecto
Capacidad total del vaso al NAME	192 Mm3
Capacidad para azolves	24 Mm3
Capacidad útil para generación	40 Mm3
Capacidad para control de avenidas	112 Mm3
Elevación de la corona de la cortina	532.60 msnm
NAME	531.60 msnm
NAMO	526.00 msnm
NAMINO	520 msnm
Elevación de la cresta vertedora	526.00 msnm
Gasto máximo de la avenida de diseño	3500 m3/s
Gasto máximo de descarga de la obra de excedencias	3815 m3/s
Capacidad instalada de la planta hidroeléctrica	18.718 MW

• Cortina

La cortina es de concreto convencional (f'c = 120 kg/cm2) tipo gravedad, de eje recto en todo el cauce. Se considera un peso volumétrico del concreto de 2400 kg/m3.

La sección transversal tiene corona a la elevación 532.60, paramento vertical hacia aguas arriba; hacia aguas abajo tiene un tramo vertical hasta la cota 525.00 y de este punto hasta el desplante talud de 0.9:1. La corona tiene 5 m de ancho y un bordo libre de 1.00 m.

El desplante de la sección máxima se propone a la elevación 498.00. La roca en la cual se cimentara la presa se considera roca de calidad similar al concreto de la cortina.

• Vaso de la presa de almacenamiento

En los estudios de topografía se obtuvieron los resultados de elevaciones contra capacidades del vaso que se describe en la tabla 2.2

Tabla 2.2 Elevaciones contra capacidades del vaso de almacenamiento
Elevaciones msnm	Capacidad Millones de m3
500.00	0.00
505.00	10.00
512.00	24.00
520.00	40.00
525.00	60.00
530.00	160.00
535.00	260.00
540.00	360.00
550.00	560.00
560.00	760.00

Con el análisis geotécnico en el cual se realizaron pruebas granulometricas se obtuvieron las siguientes características del material de acarreo del río y azolve en el cual esta constituido por:

• Peso volumétrico seco: 1600 kg/m3

• Relación de vacios: 40%

• Angulo de fricción interna: 30°

• Espesor del material de acarreo: 1.00 m.

• Obra de excedencias

Se propuso como estructura de control un cimacio tipo normal libre, en la cual su estructura terminal de la obra de excedencias fue una tipo disipadora de energía, de sección rectangular.

El hidrograma de la avenida de diseño se muestra en la tabla 2.3:

Tabla 2.3 Hidrograma de la avenida máxima probable
HORA	GASTO [m3/s]
0	0.00
4	250.00
8	400.00
12	640.00
16	1300.00
20	2700.00
24	3500.00
28	1800.00
32	1200.00
36	1100.00
40	1000.00
44	900.00
48	700.00
52	250.00
56	0.00

Y la del nivel del agua contra gasto, en la zona de descarga se muestra en la tabla 2.4:

Tabla 2.4 Nivel del agua en la zona de descarga de la obra de excedencias
NIVEL DEL AGUA [msnm]	GASTO [m3/s]
500.00	0.00
501.34	47.00
502.03	87.00
503.11	194.00
505.06	499.00
507.00	910.00
508.40	1335.00
510.10	1853.00
511.90	2580.00
515.50	3815.00




• ANTEPROYECTO FINAL

Después del análisis hecho para dar como resultado el diseño preliminar de los siguientes términos:

• Cortina de concreto integrada por dos tramos: cortina de sección gravedad no vertedora, en la margen derecha e izquierda del cauce del río; cortina de sección gravedad vertedora, en el centro del cauce. La cortina se puede ver en la fig. 3.1.

• Obra de generación con tres unidades turbogeneradoras, con su toma a través de la sección de la cortina, tubería de presión ahogada en todo su tramo, casa de máquinas a pie de presa.

• Obra de excedencias en el tramo de sección vertedora de la cortina de gravedad, compuesta por un cimacio vertedor normal libre. La descarga se realiza a tanque amortiguador USBR tipo III

El anteproyecto en general está presentado en la tabla 3.1




Tabla 3.1 Datos de proyecto
Generales
Capacidad al NAME	192 Mm3
Capacidad para azolves	24 Mm3
Capacidad útil para generación	40 Mm3
Capacidad para control de avenidas	112 Mm3
NAME, elevación	531.60 m.s.n.m
NAMO, elevación	526.00 m.s.n.m
NAMINO, elevación	520.00 m.s.n.m
Corona de la cortina, elevación	532.60 m.s.n.m
Cortina
Talud aguas abajo del cauce	0.9:1
Talud aguas arriba del cauce Vertical	Vertical
Ancho de la base de la cortina	29.3 m
Cambio de talud, elevación	525.00 msnm
Ancho de la corona 5.00 m	5.00 m
Obra de excedencias
Gasto máximo de la avenida de diseño 3500 m3/s	3500 m3/s
Cresta vertedora, elevación 526.00 m.s.n.m	526.00 msnm
Gasto máximo de salida del vertedor 988.50 m3/s	988.5 m3/s
Longitud cresta vertedora 34 m	34.00 m
Obra de toma
Umbral de la toma, elevación 512.00 m.s.n.m	512.00 msnm
Diámetro de la tubería de presión 3.44 m	3.44 m
Espesor de la tubería de presión pulgadas
Gasto de diseño 133.84 m3/s	133.84 m3/s
Planta hidroeléctrica
Grupo de turbogeneradores de 18.718 MW (Turbinas kaplan) 3 unidades	3 unidades
Velocidad especifica (N's) 424.93	424.93
Diámetro del rodete 4.209 m	4.209 m
Gasto por turbina 44.61 m3/s	44.61 m3/s




• ESTUDIOS PRELIMINARES

• Estudios topográficos

Es indudable la importancia de los estudios topográficos como apoyo en todas las etapas de un proyecto desde los estudios, diseño y construcción, hasta la operación.

La Comisión Federal de Electricidad realizo un levantamiento aerofotogramétrico de la boquilla. Posteriormente se realizó un estudio fotogramétrico del vaso, de donde se obtuvo el plano topográfico a escala 1:20 000, con curvas de nivel, a partir del cual la Secretaría de Recursos Hidráulicos determino la curva de elevaciones capacidades del vaso y que fue utilizada en los estudios de funcionamiento y de tránsito de avenidas. Las cuadricula de coordenadas tiene origen arbitrario y las cotas están referidas al nivel del mar

• Estudios geológicos

En la CFE realizó un estudio geológico - geotécnico en la zona de la boquilla enfocado a una cortina de concreto tipo gravedad con la obra de excedencias y la de toma alojadas en la cortina; en este estudio se analizan los barrenos y socavones realizados hasta la fecha, se hace un análisis de las estructuras y litología en ambas márgenes, así como una recopilación de la información regional realizada por diversos autores cercana al área de estudio. En este estudio se detecta la disponibilidad de enrocamiento y agregados así como la escasez de materiales arcillosos.

• Geología del vaso

La roca esta expuesta en la mayor parte del vaso de la presa y sobre todo en las partes bajas; se presenta generalmente con estructura masiva en las partes más profundas con permeabilidad, en general baja, de acuerdo con los resultados de pruebas efectuadas en la proyección de la cimentación de la presa. Se realizaron pruebas de permeabilidad, y lo anterior mencionado garantiza la impermeabilidad del embalse de la presa.

• Sismicidad

La zona en donde se ubica la presa a tenido nula actividad sísmica. Los rasgos geológicos del suelo y las rocas principalmente confirman lo antes mencionado. Por lo tanto en este anteproyecto consideramos al sismo de diseño de operación nulo, debido a la nula actividad sísmica de la zona.

• Estudios geotécnicos

Para poder realizar el diseño de las obras hidráulicas en forma por demás segura y confiable, de acuerdo al proyecto, fue necesario conocer las características del sitio donde se alojó la boquilla en cuestión; por otra parte, para el diseño y proyecto de las obras subterráneas fue necesario conocer el estado de esfuerzos residuales de dicho entorno geológico, con el objeto de establecer los procedimientos que se adecuaran a las condiciones existentes en el sitio.

• Trabajos de campo

Se contó con los estudios de geología superficial, estudios geofísico y perforaciones geotécnicas, las cuales proporcionaron información directa para conocer las condiciones geológicas del sitio y permitieron conocer las formaciones geológicas para la proyección de la cortina; esta información se complemento con los resultados de las pruebas de campo y a partir de ella se determinó la resistencia y deformación de la roca en la zona de la cimentación.

• Hidrología

• Información hidrológica

Los escurrimientos de la cuenca del río han sido aforados por una red de 26 estaciones diseminadas en toda la cuenca.

La hidrometría para el proyecto de la presa se obtuvo de los registros con que cuenta la estación ubicada en la cercanía de la presa operada por la extintas Comisión Nacional de Irrigación y Secretaría de Recursos Hidráulicos (SRH), y después por la Comisión Nacional del Agua. Los aforos se practican por el método de sección - velocidad, esta última se mide con un molinete hidráulico y para ello se utiliza una estructura de cable y canastilla, dicho cable tiene anclajes en ambas márgenes.

Anteriormente se presento una avenida que registró un pico de 3500 m3/s, que a la fecha se a considerado como el gasto máximo histórico observado. En la tabla 4.1 se presentan los registros de la avenida máxima probable y en la figura 4.1 el hidrograma correspondiente.

Tabla 4.1 Hidrograma de la avenida máxima probable
HORA	GASTO [m3/s]
0	0.00
4	250.00
8	400.00
12	640.00
16	1300.00
20	2700.00
24	3500.00
28	1800.00
32	1200.00
36	1100.00
40	1000.00
44	900.00
48	700.00
52	250.00
56	0.00

La estación realizó muestreos de acarreos superficiales; para la determinación de la capacidad de azolves de la presa se contó con una muestra de 38 años de registro; en la cual para un periodo de 50 años se determino una capacidad de azolves para la presa de 24 millones de m3.






• Determinación de capacidades y elevaciones de la presa

• Curva de elevaciones - capacidad del vaso

La SRH, a través de la Dirección general de Estudios, realizó un levantamiento topográfico por métodos aerofotogramétricos del vaso. Esta información quedó asentada en el plano No. 21407-C-1796 elaborado por la Dirección de Hidrología.

De este plano se obtuvo la curva elevaciones - capacidades del vaso que se muestran en la tabla 4.2 y en la figura 4.2 las cuales se tomaron como definitivas y se utilizaron para los estudios de funcionamiento y de tránsito de avenidas.

Tabla 4.2 Elevaciones contra capacidades del vaso de almacenamiento
Elevaciones msnm	Capacidad Millones de m3
500.00	0.00
505.00	10.00
512.00	24.00
520.00	40.00
525.00	60.00
530.00	160.00
535.00	260.00
540.00	360.00
550.00	560.00
560.00	760.00






• Capacidad de azolves y NAMINO

La capacidad de la presa destinada a la acumulación de los azolves se determinó a partir de la información de sólidos suspendidos aforados en el sitio por la estación que cuenta con una muestra de 38 años de observaciones.

Con base en la costumbre para proyectos similares, se ha considerado un lapso de 50 años, de tal manera que la capacidad de azolves resultó de aproximadamente 24 Mm3, cifra que se ha dejado como definitiva. La elevación correspondiente a la capacidad de azolves es de 512.00 msnm. En la tabla 4.3 se dan las características del material de acarreo y azolve.

Tabla 4.3 Material de acarreo
Peso volumétrico seco	1600 kg/m3
Relación de vacíos	40%
Angulo de fricción interna	30°
Espesor del material	1.00 m

El NAMINO, nivel de aguas mínimas de operación, para generación de energía eléctrica fue determinado por la Comisión Federal de Electricidad como resultado del análisis económico que se presenta en el Estudio de Factibilidad y resultó estar a una elevación 520.00 msnm; de esta manera, la capacidad muerta en los análisis de funcionamiento del vaso es de 40 Mm3.

• Capacidad útil y NAMO

El nivel de aguas máximas de operación NAMO y por lo tanto, la capacidad útil de la presa, se determinaron mediante un análisis técnico - económico en el cual se optimizó el aprovechamiento del agua para los fines de generación de energía, de acuerdo a las siguientes consideraciones:

• NAMO a 526.00 msnm, con fines de generación eléctrica.

• La mejor opción de tamaño de presa se decidió mediante una evaluación económica basada en los costos de inversión y operación y en los beneficios de generación de energía eléctrica y colaterales generados.

• Demandas para generación de energía eléctrica.

• Avenida de diseño para la obra de excedencias

Por la importancia que revisten los estudios hidrológicos relacionados con el control de avenidas, fueron motivo de revisiones por la CNA y la CFE, a fin de determinar la magnitud de la avenida máxima probable en el sitio de la presa, a partir de esta cifra, el tipo de estructura vertedora y las políticas de operación correspondientes.

Para el calculo de la avenida de diseño se contó con información de gastos máximos instantáneos anuales, así como gastos medios diarios de la estación hidrométrica.

Para determinar una de las características de la obra de excedencias que es la longitud de cresta del vertedor, fue indispensable realizar un transito de avenidas para determinar dicha dimensión, en el cual nuestros datos fueron la tabla 4.1 y la tabla 4.2, que se refieren al hidrograma de la avenida máxima probable y la curva elevaciones - capacidades del vaso de almacenamiento respectivamente.

Tránsito de avenidas

Procedimiento:

Para nuestro análisis de transito de avenidas, utilizamos el método semigráfico (ref. 4.1) cuya ecuación de continuidad es:

Ii+Ii+1+(
-Oi) = (
+Oi+1)

Donde:

I = gasto de entrada al vaso.

O = gasto de salida del vaso.

V = volumen del vaso a un tiempo t.

i ; i+1 = subíndices donde denotan valores de inicio y al final del intervalo t.

Los términos desconocidos se han puesto del lado derecho de la ecuación. Dado que tanto Vi+1 como Oi+1 dependen del nivel del vaso, antes de analizar el tránsito conviene trazar una tabla auxiliar que relaciona
con O para cada elevación. Para hacer dicha tabla los pasos a seguir son:

• Se fija el t que se usará en el calculo, en nuestro caso t = 4 horas.

• Se fija valor de E, mayor que el NAMO = 526.00 msnm

• Se calculo O con las siguientes ecuaciones:

Ov = CL (E -Eo)1.5 E > Eo(ecuación del vertedor)

O = Ov + Ot (gasto total de salida)

Donde:

E = elevación de la superficie libre del vaso, msnm.

Eo = elevación de la cresta del vertedor, msnm.

L = longitud de la cresta del vertedor, m.

C = coeficiente de descarga (ref. 4.2).

Ov = gasto por el vertedor de excedencias, m3/s.

Ot = gasto turbinable, m3/s.

• Se determina V con la curva elevaciones - capacidades del vaso (fig. 4.2)

• Se calcula
  .

• Se regresa al punto b tantas veces como sea necesario para definir suficientes puntos.

Una vez determinada la tabla auxiliar, se utiliza el siguiente procedimiento para el tránsito de la avenida:

• Se calculan todas las sumas Ii + Ii+1 (columna 4) a partir de la avenida de entrada (columna 3)

• Se fija un nivel inicial en el vaso Ei,. En general conviene que este nivel inicial se el del NAMO = 526.00 (columna 9) para hacer el tránsito en las condiciones más desfavorables.

• Calcular el volumen inicial, gasto de salida y
  , donde Oi = 0 (columna 5).

• Sumar el resultado de la columna 4 con el de la columna 5 y anotarlo en la columna6.

• Determinar, con el valor de
  (columna 6) y la tabla
  contra O, la salida en el siguiente intervalo Oi+1 y anotarla en el próximo renglón de la columna 7.

• Restar el último valor anotado en la columna 7 dos veces del último valor anotado en la columna 6 y colocar el resultado en la columna 5.

• Volver al cuarto paso hasta encontrar la elevación del NAME.

Para nuestro calculo de la longitud de cresta, propusimos tres longitudes de vertedor, y nuestro criterio para identificar la correcta longitud del vertedor fue que en la columna de elevaciones (columna 9) el nivelo máximo que debería alcanzar sería el NAME= 531.60 msnm.




A continuación se muestran los tres modelos:

Para L = 30 m.

Tabla auxiliar				Datos
E m	V mill m3	O m3/s	2V/t+O m3/s	L	30 m
								C	2.22
526	75	133.84	10,550.51	Eo	526 msnm
527	90	199.84	12,699.84	Ot	133.84 m3/s
528	120	320.52	16,987.18
529	140	476.79	19,921.23
530	160	661.84	22,884.06
531	180	871.74	25,871.74
532	200	1103.84	28,881.62
533	220	1356.18	31,911.73
534	240	1627.25	34,960.58
535	260	1915.84	38,026.95






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Transito de la avenida para L = 30 m
1	2	3	4	5	6	7	8	9
t h	i	Ii m3/s	Ii+Ii+1 m3/s	2Vi/t-Oi m3/s	2Vi+1/t+Oi+1 m3/s	Oi m3/s	Vi mill m3	Ei m
0	0	0	250	11,111.11	11,361.11	133.84	80	526
4	1	250	650	11,043.65	11,693.65	158.73	80.66	526.38
8	2	400	1040	11,355.76	12,395.76	168.94	82.98	526.53
12	3	640	1940	12,014.76	13,954.76	190.50	87.88	526.86
16	4	1300	4000	13,484.43	17,484.43	235.16	98.78	527.29
20	5	2700	6200	16,790.42	22,990.42	347.00	123.39	528.17
24	6	3500	5300	21,651.80	26,951.80	669.31	160.71	530.04
28	7	1800	3000	25,041.75	28,041.75	955.03	187.18	531.36
32	8	1200	2300	25,963.60	28,263.60	1039.07	194.42

Enviado por:	Sarut Aguilar
Idioma:	castellano
País:	México