1. Ciencia

XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L
AMH
DE
H I D R Á U LI C A
PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014
AMH
FACTIBILIDAD TÉCNICA DEL PH CHICOASÉN II, CHIAPAS
Hollands Torres Astrid Juliana, Huerta Loera Sadoth Fabián y Hernández Torres José Francisco
Comisión Federal de Electricidad. Río Mississippi No.71, Col. Cuauhtémoc, Del. Cuauhtémocs, México D.F.,
México. C.P. 06500
[email protected], [email protected], [email protected]
Antecedentes
Sobre el río Grijalva, ubicado sobre la cuenca del mismo
nombre, se encuentra el Sistema Hidroeléctrico mas
importante del país, siendo este conformado por los embalses
de las Presas La Angostura, Chicoasén, Malpaso y Peñitas
Desde el año 1978 se han realizado diversos estudios de
ingeniería para establecer la factibilidad técnica de la
construcción de un proyecto hidroeléctrico (PH) aprovechando
el desnivel disponible entre las presas de Chicoasén y
Malpaso, sobre el río Grijalva, en el estado de Chiapas,
destacando el PH Chicoasén II ubicado a 9,50 km aguas abajo
de la presa Chicoasén, el cual pretende aprovechar las
descargas turbinadas por la Central Hidroeléctrica (CH)
Manuel Moreno Torres, las descargas del vertedor de la presa
y los volúmenes generados por cuenca propia.
Localización y acceso
El PH se localiza en el estado de Chiapas, pertenece a la
Región Sureste, dentro del Sistema Hidrológico Grijalva,
colinda al Norte con el Sistema Hidrológico Tacotalpa y el
Golfo de México, al Sur con el Sistema Hidrológico Costa de
Chiapas, al Oeste con el Sistema Costa de Oaxaca y al Este
con el Sistema Hidrológico Usumacinta y la República de
Guatemala.
El eje de la cortina, se encuentra sobre el río Grijalva, a 48,00
km en línea recta de la ciudad de Tuxtla Gutiérrez, Chiapas, y
se ubica geográficamente en las coordenadas16°59’90”
Latitud Norte y 93°10’2” Longitud Oeste del meridiano de
Greenwich.
El acceso al sitio de boquilla se realiza a partir de la ciudad de
Tuxtla Gutiérrez, por la carretera estatal 102, pasa por San
Fernando, la CH Manuel Moreno Torres y el poblado de
Chicoasén, se continúa por la carretera que conduce a
Copainalá y a la altura del km 7 se desprende una brecha de
acceso a la zona del proyecto, con un desarrollo de 3 km,
transitable todo el año.
Estudio Hidrológico
El Proyecto hidroeléctrico Chicoasén II se ubica en la cuenca
hidrológica N° 30 Río Grijalva; hasta él llegan los volúmenes
turbinados por la CH Manuel Moreno Torres, así como los
volúmenes escurridos del río Chicoasén, que confluye con el
río Grijalva a 3 km aguas abajo de la Presa Chicoasén.
De acuerdo con el estudio hidrológico del PH Chicoasén II, en
la cuenca denominada Alto Grijalva, dentro de la cual se ubica
el proyecto Chicoasén II, en la presa CH Manuel Moreno
Torres se turbina un volumen medio anual de 11 187,43 hm³
(354,51 m³/s) para un periodo de registros de 1981–2011; en
la estación hidrométrica El Grijalva, cuyo periodo de análisis
comprende de 1971 a 2011, se tiene un volumen medio anual
de 12 251,39 hm³ (388,22 m³/s); y en la estación hidrométrica
La Esperanza se obtuvo un volumen medio anual de 334,56
hm³ (10,56 m³/s), comprendiendo un periodo de registros de
1981–2011.
Al trasladar los escurrimientos mencionados al sitio del
Proyecto, se obtiene una muestra de registro comprendida del
año 1981 al 2011, cuyo volumen medio anual en el Sitio
corresponde a 11 522,89 hm³, con un gasto medio de 365,14
m³/s. Este volumen es generado por los escurrimientos
turbinados de la Central Ing. Manuel Moreno Torres y los
volúmenes medios anuales medidos en la estación la
Esperanza (cuenca propia).
Del análisis de gastos máximos se definió que la avenida de
diseño para la obra de excedencias debe considerar la descarga
de la presa Chicoasén de 15 000,00 m³/s (capacidad de diseño
del vertedor de la presa Chicoasén), a su vez adicionándole la
avenida por cuenca propia comprendida entre la CH Manuel
Moreno Torres y el sitio de proyecto (1 864,00 m³/s) para un
periodo de retorno de 10 000 años.
La obra de excedencias es capaz de manejar la avenida
generada por la descarga del vertedor de Chicoasén cuyo gasto
pico es de 15 000,00 m³/s determinada con la metodología de
envolventes mundiales más la avenida con periodo de retorno
de 10 000 años por cuenca propia con gasto pico de 1 864,00
m³/s, que trasladadas al sitio del PH Chicoasén II generan
como resultado un gasto de entrada de 15 738,00 m³/s, de los
cuales al ser transitados por el embalse conforman una
avenida con un gasto máximo de salida de 15 706,80 m³/s.
A fin de garantizar la seguridad en el proyecto el canal de
desvío se equipó con 2 vanos con compuertas radiales para
trabajar como vertedor auxiliar, considerando un cimacio tipo
Creager a la elevación de cresta es la 188,00 m.
Para el caso de la obra de desvío, partiendo se realizo un
análisis bivariado, descartando el evento máximo generado de
manera artificial con fecha del 6 de octubre de 2005, se
consideró asignar el escenario más desfavorable para un
periodo de retorno conjunto de 50 años entre la avenida de
Chicoasén (Tr 25 años) y Chicoasén II (Tr 2 años), el cual
corresponde a un gasto de 3 474,00 m³/s.
Análisis Hidráulico del Cauce
Para la simulación del tránsito hidráulico por el cauce entre las
CH Manuel Moreno Torres y el sitio del PH Chicoasén II, se
consideraron secciones topobatimétricas tanto en el río
Grijalva, así como en el arroyo Chicoasén a lo largo de
1 500,00 m aguas arriba de la confluencia con el río Grijalva.
Se transitaron separadamente los hidrogramas por el arroyo
Chicoasén y el río Grijalva hasta la confluencia de ambos, ya
que a partir de este punto y hacia aguas abajo en automático se
XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L
AMH
DE
H I D R Á U LI C A
AMH
PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014
tiene la suma de ambos hidrogramas hasta la zona del
proyecto.
PH Chicoasén II, resultando una generación media anual de
590,54 GWh.
Los tres escenarios analizados para la simulación hidráulica
del cauce fueron:
Descripción del proyecto
a)
Flujo transitorio, sin proyecto, un gasto de entrada
de 15 738,00 m³/s. Esta condición es referencia para
comparar los niveles con el proyecto.
b)
Flujo transitorio, con proyecto, para un gasto de
entrada de 15 738,00 m³/s, Vertedor auxiliar sin
cimacio, sin compuertas.
c)
Flujo transitorio, Vertedor auxiliar con 2 compuertas
y cimacio con cresta a elevación 188,00 m,
Condición de diseño, el NAME a la elevación
210,85 m.
A continuación se presentan los resultados de dichos
escenarios empleando el programa HEC-RAS (Hidrologic
Engineering Center – River Analysis System).
El PH Chicoasén II se localiza en la Región III de Mezcalapa,
en el municipio de Chicoasén, estado de Chiapas, en el
Sistema Hidrológico Grijalva, el cual colinda al Norte con el
Sistema Hidrológico Tacotalpa y el Golfo de México, al Sur
con el Sistema Hidrológico Costa de Chiapas, al Oeste con el
Sistema Costa de Oaxaca y al Este con el Sistema Hidrológico
Usumacinta y la República de Guatemala.
Dentro de este Sistema Hidrológico se encuentran 4 de las
centrales más importantes del país: Angostura (900 MW),
Chicoasén (2 400 MW), Malpaso (1 060 MW) y Peñitas
216,82 Condición de diseño, el NAME (210,85 m), 1,65 m por deba
(405 MW). Ver ilustración 1.
LA ANGOSTURA
NAME EL. 539,5
CHICOASÉN
NAME EL. 395,0
Tabla 1. Niveles máximos del agua a lo largo del cauce.
Escenario
Elev. P. H.
Chicoasén II
(m)
Elev. Poblado
Chicoasén
(m)
207,72
216,63
P.H. CHICOASÉN II
NAME EL. 208.0
MALPASO
NAME EL. 188.0
PEÑITAS
NAME EL. 93,5
Sin presa
Villahermosa
GOLFO DE MÉXICO
Vertedor auxiliar sin
cimacio, sin compuertas
206,50
216,59
Vertedor auxiliar con 2
compuertas y cimacio con
cresta a elev. 188,00 m
210,85
216,82
El NAME se define a la elevación 210,85 m, siendo la cota
que permite obtener la menor afectación en el poblado
Chicoasén debido al remanso generado (elevación 216,82 m)-
Ilustración 1. Esquema de aprovechamiento integral del Río
Grijalva.
Las obras principales están proyectadas a 9 kilómetros aguas
abajo de la CH Manuel Moreno Torres, longitud obtenida a lo
largo del desarrollo del río. Con referencia a la ciudad Tuxtla
Gutiérrez, dista 30,00 km con dirección Noroeste medido en
línea recta. (Ver ilustración 2).
Hidroenergético
El volumen medio anual de escurrimiento en el sitio del
proyecto es de 11 522,89 hm³, equivalente a un gasto medio
de 365,14 m³/s. Sin embargo, considerando un caudal
ecológico de hasta 9,00 m³/s cuando la central no se encuentre
en operación, de tal manera que permita asegurar el
mantenimiento de la condición actual de este tramo de río, el
escurrimiento medio aprovechable es de 11 324,08 hm³,
equivalente a un gasto medio aprovechable de 358,84 m³/s.
Con lo anterior, y con los ajustes al proyecto, se actualizó el
estudio hidroenergético obteniéndose una potencia instalable
de 240 MW y una generación media anual de 631,13 GWh,
con un factor de planta de 0,30, sin embargo, debido a que el
NAMO PH Chicoasén II se ubica a la elevación 208,00 m, se
genera un ahogamiento en el desfogue de la CH Manuel
Moreno Torres, disminuyendo la carga de la central y, por
consiguiente ocasionando un decremento en su generación;
siendo esta disminución del orden de 40,58 GWh. Por tal
razón, para obtener la generación media anual neta del PH
Chicoasén II, el decremento presentado en la C.H. Manuel
Moreno Torres, es sustraído de la generación obtenida en el
Ilustración 2. Esquema de localización del proyecto, embalse y
vías de acceso.
El PH Chicoasén II consiste en obra de desvío, obra de
excedencias y contención-generación, ver ilustración 3. A
continuación se hace una breve descripción de cada una de
ellas.
AMH
XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L
DE
H I D R Á U LI C A
PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014
AMH
estructura del vertedor de servicio su control será controlado
por compuertas radiales de 14,50 × 23,00 m.
La obra de contención estará formada por dos muros de cierre
de concreto reforzado en ambas márgenes. La obra de
generación y la obra de excedencias forman parte de la obra de
contención, ver ilustración 4.
Ilustración 3. Esquema general del proyecto.
La obra de desvío quedará ubicada en la margen derecha del
río y consiste en un canal de sección transversal trapecial de
25,00 m de plantilla. El canal tiene una longitud de 933,62
metros, y antes de la entrada en operación de la CH, deberá
contar con la construcción de una estructura de cierre
hidráulico.
La obra de desvío se complementa con dos ataguías, cuya
función es desviar el río para dejar seca la zona de
construcción de las obras; la ataguía aguas arriba es de
materiales térreos con núcleo impermeable, de 20,00 m de
altura con taludes 1.8:1 en el paramento de aguas arriba y
1.7:1 en el paramento de aguas abajo; el ancho de su corona es
de 8,00 m, con una longitud de 277,19 m y la corona se ubica
en la elevación 205,00.
La ataguía de aguas abajo es también de materiales térreos con
núcleo impermeable y altura de 13,00 m, con taludes 1.7:1 en
el paramento aguas arriba y 1.8:1 en el paramento aguas
abajo; el ancho de su corona es de 8,00 m, con una longitud de
115,35 m y la corona se ubica en la elevación 195,00 m.
La seguridad de las instalaciones civiles y electromecánicas
del PH Chicoasén II, con relación a los escurrimientos
excedentes que no pueden ser aprovechados para la
generación eléctrica, se garantizará mediante un vertedor en
canal a cielo abierto, ubicado en el cauce del río cargado hacia
la margen izquierda, complementado con un vertedor auxiliar
ubicado en el canal de desvío.
La estructura de control se integrará por un vertedor de canal a
cielo abierto con un ancho total de 54,48 m en forma de
cimacio, la cresta del vertedor estará a la elevación 188,00 m,
con una longitud neta de cresta de 43,50 metros. El canal se
dividirá por 3 vanos de 14,50 m de ancho, limitados por 2
muros centrales de 3,80 m de espesor, las pilas del vertedor se
elevarán hasta el nivel 211,00 m. El control de los gastos en el
canal vertedor será mediante 3 compuertas radiales de 14.50 ×
23,00 m y compuertas de aguja para mantenimiento. El nivel
del canal de descarga se encontrará a la elevación 172,00 m.
Aguas abajo del cimacio, el canal vertedor contará con un
tanque amortiguador con nivel de piso a la elevación 172,00
m, y tendrá un ancho de 51,10 m con una longitud de 35,00 m.
El vertedor auxiliar se aloja en el canal de desvío y se
compone de un vertedor a cielo abierto con un ancho de
plantilla total de 40,40 m, la cresta del vertedor estará a la
misma elevación que el vertedor de servicio (188,00 m) con
una longitud neta de 29,00 m. La estructura se divide en dos
vanos de 14,50 m limitados por un muro central de 3,80 m de
ancho que llega a la elevación 211,00 m, al igual que la
Ilustración 4. Corte transversal de la estructura de contención.
La corona de las obras que conforman la obra de contención
está a la elevación 211,00 m, con un ancho de 13,10 m, y
altura máxima de 52,10 m desde el desplante de la obra de
generación; la longitud total de corona es de 275,25 m
incluyendo todas la obras, con talud vertical aguas arriba; el
bordo libre es de 1,50 m con un parapeto a la elevación 212,50
m.
La casa de máquinas se ubica en el cauce del río cargada hacia
la margen derecha para que sea desplantada en roca caliza
(formación Angostura), por su ubicación forma parte de la
obra de contención. La casa de máquinas será exterior, sus
dimensiones serán: 84,18 m de longitud sin incluir la playa de
montaje, ancho de 22,00 m y altura de 51,15 m medida a partir
del desplante, con 3 unidades tipo Bulbo de 81,64 MW de
potencia cada una, con una potencia total en generadores de
240 MW, y generación media anual neta de 591 GWh. El
gasto de diseño para cada turbina es de 497,87 m³/s y el total
de la planta es de 1 493,60 m³/s. El NAMO y NAMINO están
a la elevación 208,00 m, mientras que el NAME se encuentra
a la elevación 210,85 m.
La obra de toma para gasto ecológico, se diseñó para un
caudal de 9,00 m³/s cuya finalidad principal es mitigar los
efectos en el río hacia aguas abajo cuando la central no se
encuentre en operación. La configuración de la toma ecológica
es un arreglo que comprende una compuerta deslizante que
será operada por medio de la grúa de la obra de toma, se tiene
una tubería a presión de 1,70 m de diámetro y una longitud
aproximada de 90,00 m, que conduce a una bifurcación para
alimentar una turbina tipo S, que descarga en el desfogue de la
obra de generación.
Conclusiones
El volumen medio anual turbinado por la CH Manuel Moreno
Torres para el periodo analizado corresponde a 11 187,43 hm³.
Al trasladar los escurrimientos al sitio de Proyecto, se obtiene
una muestra de registros comprendida del año 1981 al 2011,
cuyo volumen medio anual corresponde a 11 522,89 hm³, con
un gasto medio de 365,14 m³/s.
Sin embargo, debido a la preservación de la biota existente en
el cauce, se propone emplear un gasto ecológico de 9,00 m³/s
durante las horas que la central no se encuentre en operación.
AMH
XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L
DE
H I D R Á U LI C A
PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014
Por tal motivo, se tendría un volumen medio anual de
11 324,08 hm³ correspondiéndole un gasto aprovechable de
358,84 m³/s.
La obra de excedencias es capaz de manejar la avenida
generada por la descarga del vertedor de Chicoasén cuyo gasto
pico es de 15 000,00 m3/s, más la avenida con periodo de
retorno de 10 000 años por cuenca propia con gasto pico de 1
864 m³/s, que trasladadas al sitio del PH Chicoasén II generan
como resultado un gasto de entrada de 15 738,00 m³/s.
El NAME se define a la elevación 210,85 m, siendo la cota
que permite obtener la menor afectación en el poblado
Chicoasén debido al remanso generado (elevación 216,82 m).
Para el caso de la obra de desvío, partiendo del análisis
bivariado realizado, se consideró asignar el escenario más
desfavorable para un periodo de retorno conjunto de 50 años
entre la avenida de la presa Chicoasén (Tr 25 años) y el PH
Chicoasén II (Tr 2 años), el cual corresponde a un gasto de
3 474,00 m3/s.
El PH Chicoasén II está diseñado para operar el mismo tiempo
que la CH Manuel Moreno Torres (Chicoasén), por lo que las
dos centrales trabajarán con un factor de planta similar, la
ligera diferencia entre ellas serán las aportaciones
aprovechadas por cuenca propia.
La generación media anual en el PH Chicoasén II es de 631,13
GWh, la cual al descontar la generación media mensual
perdida en la C.H. Manuel Moreno Torres (40,58 GWh) pasa
a 590,54 GWh de generación media anual neta producida por
el proyecto.
Referencias
CFE 2010. Estudio de factibilidad del P.H. Copainalá. Centro
de Anteproyectos del Golfo. Subgerencia de Anteproyectos.
Coordinación de Proyectos Hidroeléctricos.
Marengo, H., Eventos extremos de 1999 en el sureste
mexicano. Actualización del análisis hidrológico del complejo
hidroeléctrico Grijalva, en Chiapas, México. Ingeniería
hidráulica en México, octubre-diciembre de 2003 núm. 4, pp
87-118.
A. A. Aldama, Marengo H. y Becerra R., Estimación
paramétrica de gastos máximos instantáneos a partir de los
gastos medios diarios en la vecindad del pico. XXI Congreso
Nacional de Hidráulica, Guadalajara, Jalisco, México, octubre
2010.
CFE, Manual de Diseño de Obras Civiles (1983). Fascículo
A.2.1.6. “Métodos Numéricos”
CFE Manual de Diseño de Obras Civiles (1983). Fascículo
Hidrotecnia, A.1.9. “Simulación del Funcionamiento de un
Vaso”.
CFE P. H. Chicoasén II, Chiapas. “Estudio Hidrológico”.
Subgerencia de Diseños Hidroeléctricos. Coordinación de
Proyectos Hidroeléctricos, 2013.
CFE P. H. Chicoasén II, Chiapas. “Estudio Hidroenergético”.
Subgerencia de Diseños Hidroeléctricos. Coordinación de
Proyectos Hidroeléctricos, 2013.
AMH