mejoramiento del funcionamiento hidráulico del vertedor de servicio

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DE
H I D R Á U LI C A
PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014
AMH
MEJORAMIENTO DEL FUNCIONAMIENTO HIDRÁULICO DEL VERTEDOR DE SERVICIO
DE LA C.H. MALPASO, EN MODELO FÍSICO
Montero Damián Nancy1, Marengo Mogollón Humberto2, González Soberanis Elizabeth1,
Capella Vizcaíno Antonio3 y Cortés Cortés Carlos1
1
Comisión Federal de Electricidad. Calle Cananea No. 101, Col. Lomas de la Selva, Cuernavaca, Morelos,
México. C.P. 62270
2
Comisión Federal de Electricidad. Río Mississippi No.71, Col. Cuauhtémoc, Del. Cuauhtémoc, México D.F.,
México. C.P. 06500
3
Consultor Independiente
nancy.montero@cfe.gob.mx, humberto.marengo@cfe.gob.mx, elizabeth.gonzalez02@cfe.gob.mx,
acapella@prodigy.net.mx, carlos.cortes01@cfe.gob.mx
Antecedentes
La Central Hidroeléctrica Netzahualcóyotl (Presa Malpaso),
fue construida entre 1959 y 1964, se localiza en el municipio
de Tecpatán en el estado de Chiapas, en un estrechamiento del
río Grijalva denominado Raudales de Malpaso, localizado a
2.5 km aguas abajo de la confluencia de los ríos La Venta y
Grijalva, aproximadamente a unos 125 km de la Cd. de
Villahermosa, Tabasco y fue la primera construida sobre el río
Grijalva.
La presa Malpaso cuenta con dos vertedores, uno llamado de
servicio que disipa la energía del escurrimiento con un tanque
amortiguador y otro llamado de emergencia que lo hace
lanzando el chorro con un salto de esquí. Ambos vertedores
presentan problemas serios de funcionamiento y requieren de
modificaciones mayores. El vertedor de servicio presenta
problemas debido a las altas velocidades de llegada al fondo
del tanque amortiguador, una longitud escasa, del orden de la
mitad de la necesaria, y con esto un volumen de agua escaso
para la disipación de la energía; debido a lo mencionado se ha
considerado que se puede operar sólo hasta unos 2,000 m3/s.
En el presente trabajo se aborda la alternativa de salto de esquí
para la disipación de la energía en el vertedor de servicio, con
tres diferentes geometrías sobre la rápida, con ángulo de salida
de -10°, 0° y 5°. Es importante mencionar que la ubicación del
salto de esquí y el ángulo de salida de -10°, fueron propuestos
por el Instituto de Ingeniería de la UNAM, como resultado del
estudio en modelo numérico.
Para el estudio de los vertedores se construyó un modelo físico
en el cual se representaron ambos vertedores de la presa y su
descarga al cauce. El modelo físico representado a escala Le =
65, se construyó tomando en cuenta el espacio disponible en
el Laboratorio, el gasto de alimentación del modelo para los
ensayes, el costo y tiempo de construcción del mismo. De
acuerdo con la similitud de Froude, se obtuvieron los valores
de las escalas siguientes:
Valor
Escala
Líneas
Le = 65
Velocidades
Ve = Le 0,5 = 8.06
Gastos
Qe = Le 2,5 = 34,063.04
Se representaron los dos vertedores, el de servicio y
emergencia, con un canal de llamada en común para ambos
vertedor, así como una parte de la cortina.
En la Ilustración 1 se muestra el proyecto original del vertedor
de servicio y en la fotografía 1 la representación en el modelo
físico.
Objetivo del estudio
Verificar el funcionamiento hidráulico del vertedor de servicio
para los gastos de operación y proponer las adecuaciones
correspondientes en caso de ser necesarias para mejorar su
funcionamiento.
Diseño del modelo físico
La obra de control y de excedencias se ubica en la margen
izquierda y está formada por dos vertedores, uno de
emergencia y otro de servicio. El vertedor de servicio con
tanque amortiguador tiene tres compuertas de 15x16.19 y
cimacio de 45 m de longitud de cresta a la elevación 167.64,
una rápida de sección trapecial y el eje recto que termina en un
tanque con un canal de descarga al río (Rodríguez et al, 2011).
Ilustración 1. Geometría del proyecto original.
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Foto 1. Proyecto original del vertedor de servicio.
Operación del modelo físico del vertedor de
servicio
El modelo se alimentó directamente del tanque de carga
constante y para el aforo de los gastos de operación se utilizó
un medidor ultrasónico AT 868 AquaTrans. El gasto a
representar es de 7048 m3/s correspondiente a un Tr de 10000
años.
En todos los casos estudiados, se tomaron registros de
velocidades en el inicio y terminación del salto de esquí
(cadenamientos 0+125 y 0+162.5, respectivamente) y
fluctuaciones de presión en la plantilla de tanque
amortiguador. La ubicación de la celdas de presión en la
plantilla del tanque, se presentan en la Ilustración 2.
Ilustración 3. Geometría de deflectores laterales a partir de la
plantilla del canal.
Alternativas estudiadas en el modelo físico
Proyecto original (prototipo)
En el proyecto original el flujo sigue el perfil de la rápida
hasta llegar a la plantilla del tanque amortiguador. En
ilustración 1 se muestra la geometría. Se registraron
velocidades para el gasto de 7000 m3/s, las cuales se presentan
en la tabla 1. En la ilustración 4 se observan las fluctuaciones
de presión para el gasto 7000 m3/s fluctuando alrededor de los
20 m.
Tabla 1. Velocidades con la geometría de proyecto original.
Velocidad media, en m/s
Cadenamiento
Q=1000 m3/s
26.09
29.51
0+125
0+162.5
Q=7000 m3/s
32.09
35.53
Proyecto original, Q = 7000 m3/s
150.00
C1
C2
C3
140.00
C4
C5
C6
130.00
Ilustración 2. Ubicación de celdas de presión en la plantilla del
tanque amortiguador.
Elevaciones en m
120.00
110.00
100.00
90.00
Debido a que el flujo impacta en los muros laterales del
tanque amortiguador con las diferentes geometrías estudiadas
de salto de esquí, se propuso la colocación de deflectores
laterales, esto con el objeto de concentrar el flujo al centro del
tanque y evitar tal efecto. Después de varias pruebas, se logró
definir cualitativamente que la geometría de los deflectores
con la cual se observa mejor funcionamiento es la mostrada
en la Ilustración 3 para todas las geometrías de salto de esquí
representadas.
Ubicación de celdas
C1, C2 (0+222.884)
C3, C4 (0+249.534)
C5, C6 (0+274.884)
80.00
70.00
0.000
500.000
1000.000
1500.000
2000.000
2500.000
3000.000
Tiempo en segundos
Ilustración 4. Fluctuaciones de presión en tanque amortiguador
proyecto original, Q = 7000 m3/s.
En la foto 2 se observa el funcionamiento general del tanque
amortiguador.
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Salto de esquí -10°, Q = 7000 m3/s
150.00
C1
C2
140.00
C3
C4
C5
130.00
C6
Elevaciones en m
120.00
110.00
100.00
90.00
Ubicación de celdas
C1, C2 (0+222.884)
C3, C4 (0+249.534)
C5, C6 (0+274.884)
80.00
70.00
0.000
500.000
1000.000
1500.000
2000.000
2500.000
3000.000
Tiempo en segundos
Foto 2. Funcionamiento general del tanque amortiguador,
Q = 7000 m3/s.
Salto de esquí con ángulo de salida de -10°
Al representar el salto de esquí con ángulo de -10°, ver
ilustración 5, se registraron velocidades para el gasto de 7000
m3/s, el cual se presenta en la tabla 2. En la ilustración 6 se
observan las fluctuaciones de presión para el gasto de 7000
m3/s fluctuando alrededor de 15 m.
Ilustración 6. Fluctuaciones de presión en tanque amortiguador
con salto de esquí de -10°, Q = 7000 m3/s.
En la foto 3 se muestra el funcionamiento general del tanque
amortiguador y se indica la longitud de chorro y la altura del
colchón de agua.
48.1 m
37.05 m
26 +/- 2 m
Foto 3. Se presenta la longitud máxima y mínima del chorro, y la
altura del colchón de agua, Q = 7000 m3/s
Salto de esquí con ángulo de salida de 0°
Ilustración 5. Geometría de del salto de esquí con ángulo de -10°.
Al representar el salto de esquí con ángulo de 0°, ver
ilustración 7, se registraron velocidades para el gasto de 7000
m3/s, el cual se presenta en la tabla 3. En la ilustración 8 se
observan las fluctuaciones de presión para el gasto de 7000
m3/s fluctuando alrededor de 23 m.
Tabla 2. Velocidades con salto de esquí de -10°.
Cadenamiento
0+125
0+162.5
Velocidad media, en m/s
Q=1000 m3/s
26.09
29.27
Q=7000 m3/s
32.09
35.08
Ilustración 7. Geometría de del salto de esquí con ángulo de 0°.
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Tabla 3. Velocidades con salto de esquí de 0°.
Salto de esquí 0°, Q = 7000 m3/s
150.00
C1
C2
C3
140.00
C4
C5
C6
130.00
Elevaciones en m
120.00
Ilustración 9. Geometría de del salto de esquí con ángulo de 5°.
110.00
Tabla 4. Velocidades con salto de esquí de 5°.
100.00
Ubicación de celdas
C1, C2 (0+222.884)
C3, C4 (0+249.534)
C5, C6 (0+274.884)
80.00
500.000
1000.000
1500.000
2000.000
2500.000
Q=1000 m3/s
26.09
27.76
0+125
0+162.5
70.00
0.000
Velocidad media, en m/s
Cadenamiento
90.00
3000.000
Tiempo en segundos
Ilustración 8. Fluctuaciones de presión en tanque amortiguador
con salto de esquí de 0°, Q = 7000 m3/s.
Q=7000 m3/s
32.09
33.92
Salto de esquí 5°, Q = 7000 m3/s
150.00
C1
C2
En la foto 4 se observa el funcionamiento general del tanque
amortiguador y se indica la longitud de chorro y la altura del
colchón de agua.
140.00
C3
C4
C5
130.00
C6
68.25 m
56.55 m
Elevaciones en m
120.00
110.00
100.00
90.00
Ubicación de celdas
C1, C2 (0+222.884)
C3, C4 (0+249.534)
C5, C6 (0+274.884)
80.00
23 +/- 1.5 mm
70.00
0.000
500.000
1000.000
1500.000
2000.000
2500.000
3000.000
Tiempo en segundos
Ilustración 10. Fluctuaciones de presión en tanque amortiguador
con salto de esquí de 5°, Q = 7000 m3/s.
Foto 4. Se presenta la longitud máxima y mínima del chorro, y la
altura del colchón de agua, Q = 7000 m3/s.
Salto de esquí con ángulo de salida de 5°
Al representar el salto de esquí con ángulo de 5°, ver
ilustración 9, se registraron velocidades para el gasto de 7000
m3/s, la cual se presenta en la tabla 4. En la ilustración 10 se
observan las fluctuaciones de presión para el gasto de 7000
m3/s fluctuando alrededor de 23 m.
En la foto 5 se observa el funcionamiento general del tanque
amortiguador.
84.75 m
67.44 m
23 +/- 1.5 mm
Foto 5. Funcionamiento general del tanque amortiguador, Q =
7000 m3/s.
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En la tabla 5, se presenta una comparativa de los valores
obtenidos de velocidad, fluctuaciones de presión y longitud
del chorro para las diferentes alternativas estudiadas, donde:
P-O Proyecto original
A-1
Salto de esquí en la rápida con ángulo de -10°
A-2
Salto de esquí en la rápida con ángulo de 0°
A-3
Salto de esquí en la rápida con ángulo de 5°
Tabla 5. comparativa de resultados.
Alternativa
P-O
A-1
A-2
A-3
Alternativa
P-O
A-1
A-2
A-3
Velocidades media, en m/s
0+125.0
0+162.5
26.09
29.51
26.09
29.27
26.09
25.44
26.09
27.76
Q = 1000 m3/s
Fluctuaciones de presión
máx., en m
3.0
1.0
1.0
1.0
3
Q = 7000 m /s
Velocidades media, en m/s Fluctuaciones de presión
0+125.0
0+162.5
máx., en m
32.09
35.53
20.0
32.09
35.08
15.0
32.09
34.55
23.0
32.09
33.92
23.0
Longitud del chorro, en m.
máx
min
29.25
39.00
43.55
44.85
46.8
62.54
Longitud del chorro, en m.
máx
min
37.05
48.10
56.55
68.25
67.44
84.75
Conclusiones
Del análisis de la tabla 5, se concluye que la alternativa que
presenta un mejor funcionamiento es con salto de esquí en la
rápida con ángulo de -10°, debido a que tiene una longitud de
salto menor, lo que se traduce en contar con una masa de agua
mayor dentro del tanque que ayuda a la disipación de energía,
además de presentar el menor valor de fluctuaciones de
presión.
Así mismo se observó del estudio cualitativo, que para las
alternativas A-1, A-2 y A-3, hasta el gasto de 4000 m3/s se
tiene suficiente colchón de agua en el tanque, lo cual implica
que no se presenta incidencia del chorro en la plantilla; a partir
de este gasto se dificulta la definición de este efecto debido a
la turbulencia generada en el tanque.
Referencias
CAMACHO CALVO J. CARLOS ET AL, Informe del
estudio C.H. Netzahualcóyotl “Funcionamiento hidráulico del
vertedor con cubeta deflectora, en modelo hidráulico”,
Comisión Federal de Electricidad, Subgerencia de Diseños
Hidroeléctricos, Laboratorio de Hidráulica, Octubre 2001.
CAMACHO CALVO J. CARLOS ET AL, Informe del
estudio C.H. Netzahualcóyotl “Instrumentación del vertedor y
su funcionamiento hidráulico, en prototipo”, Comisión
Federal de Electricidad, Subgerencia de Diseños
Hidroeléctricos, Laboratorio de Hidráulica, Mayo 2008.
CAPELLA ET AL, Informe final del estudio de las
modificaciones necesarias a los vertedores de la PRESA
MALPASO, Chiapas, Instituto de Ingeniería UNAM,
Diciembre 2012.
ENZO LEVI, “Tratado elemental de hidráulica”, Instituto
Mexicano de Tecnología del Agua, Serie divulgación 18,
1990.
Grandes presas de México, 1976, Secretaría de Recursos
Hidráulicos.
AMH
GONZÁLEZ SOBERANIS ELIZABETH ET AL, Informe
del estudio 1114 C.H. Malpaso, Presa Netzahulacóyotl
Funcionamiento hidráulico de los vertedores, en modelo
hidráulico. Comisión Federal de Electricidad, Subgerencia de
Diseños Hidroeléctricos, Laboratorio de Hidráulica,
Diciembre 2012.
GONZÁLEZ SOBERANIS ELIZABETH ET AL, Informe
del estudio 1310 C.H. Malpaso, Presa Netzahulacóyotl
Funcionamiento hidráulico del vertedor en modelo hidráulico.
Comisión Federal de Electricidad, Subgerencia de Diseños
Hidroeléctricos, Laboratorio de Hidráulica, Diciembre 2013.
MAZA A. Y FRANCO V., Manual de Diseño de Obras
Civiles, Hidrotécnia, A.2.15. Técnicas experimentales, CFE,
1981.
RODRÍGUEZ R. IVAN, FLORES S. CARLOS M.,
SALINAS M. LUIS E., "Modificaciones al vertedor de la
Presa Malpaso, Chis" , Gerencia de Ingeniería Civil, CFE,
Noviembre 2011.
SOTELO ÁVILA GILBERTO “Hidráulica general”,
volumen I fundamentos, LIMUSA, México, 1989.