PepeVasquez.com
Inicio | Hidro | Rios | Puentes | Investigación | EnseñanzaCV | Links | English
OBRAS HIDRAULICAS
Hidroeléctricas
La foto a la derecha muestra la configuración típica de una captación y derivación de la hidroeléctrica en los Andes del Perú (modelo físico San Gabán II). Una bocatoma, compuesta de un barraje móvil (con compuertas) y una barraje fijo (vertedero), capta una parte del caudal del río. Debido a que el agua captada contiene grandes cantidades de arena en suspensión, es necesario una estructura desarenadora. El desrenador retiene la arena y después la purga de vuelta al río. En la foto también se muestra un reservorio de regulación horaria para la hidroeléctrica.
Bocatomas
El diseño de una bocatoma en los Andes es un verdadero reto. El transporte de sedimento es muy intenso, y si el diseño no es adecuado la estructura podría estar sujeta a deposición de sedimento e intensa abrasión. La foto del costado muestra el enorme foso de varios metros de profundidad que se formó en la base del pilar central de la Bocatoma Chavimochic. Esta erosión es consecuencia de la presencia de un vórtice tipo "herradura" (similar a los que se producen en pilares de puentes) inducido por velocidades mayores a 10 m/s, sumado a una intensa concentración de sedimento de alta dureza. El recubrimiento de enchape de piedra no sirvió para detener la abrasión.
Otro problema serio es el sedimento captado. La captación de agua se hace en ángulo respecto a la dirección del río, lo cual puede inducir zonas de recirculación (remolinos), donde el sedimento tiende a depositarse. Este sedimento depositado podría colmatar la entrada al canal de derivación. Un modelo numérico 2D es empleado para mostrar el efecto de abocinar la entrada en una captación hipotética a 60°. Inicialmente, una entrada brusca (ver abajo, izquierda) produce la formación de un remolino que reduce la eficiencia de la captación. Cuando la entrada se suaviza (ver abajo, derecha) el remolino se elimina y el caudal captado aumenta en un 20%.  
Desarenadores
Las bocatomas se diseñan para evitar o minimizar la entrada de sedimento grueso al canal de derivación; pero no pueden prevenir la entrada de sedimento en suspensión, ese es el trabajo del desarenador. El desarenador trabaja basado en el hecho de que la arena tenderá a decantar si la velocidad del flujo es lo suficientemente baja, por ello esta estructura requiere de una expansión de la sección transversal para disminuir la velocidad del flujo. Un desarenador típico puede dividirse en varios canales o naves (7 en el desarenador mostrado abajo). Una vez que una nave esta llena de arena, una compuerta en el fondo se abre y un flujo de alta velocidad purga el sedimento de vuelta al río.
Desarenador de Chavimochic: (a) Modelo a escala durante operación normal (mirándolo desde la salida aguas abajo). (b) Estructura real (prototipo) durante la purga de una nave.
Un desarenador debe ubicarse inmediatamente aguas abajo de la bocatoma (como en San Gabán II); pero razones  topográficas o geotécnicas pueden hacer que esto no sea posible, por lo que el desarenador deberá ubicarse en el canal de derivación. En ese caso, es necesaria una expansión desde el ancho angosto del canal al ancho mucho mayor del desarenador. Esta expansión tiende a inducir un flujo asimétrico en el desarenador con consecuencias negativas para su funcionamiento. Un buen ejemplo es el desarenador de Majes de 4 naves.

DESARENADOR DE MAJES

Cuando este desarenador entró en funcionamiento en 1989, el agua fluía hacia aguas abajo en 2 de las 4 naves, en una nave el agua permanecía casi estancada y en la restante, el agua regresaba y ¡Se movía hacia aguar arriba!
El complejo flujo tri-dimensional en el desarenador de Majes fue reproducido con éxito usando el modelo numérico SSIIM, como se muestra en el gráfico vectorial siguiente. Notar que en una de la naves el agua está regresando.
El flujo asimétrico y la recirculación fueron eliminados en el modelo a escala extendiendo hacia aguas arriba -dentro de la expansión de entrada- los muros divisorios entre los canales. El modelo numérico también reprodujo esta solución. Las imágenes en color abajo muestran la situación antes y después de la modificación. Inicialmente la velocidad está concentrada hacia una lado (color verde), pero después se vuelve simétrica cuando los muros divisorios se alargan.
DESARENADOR QUIROZ

Quiroz es una pequeña hidroeléctrica en el norte del Perú que tiene un desarenador de una sola nave, que parece ser muy simple; sin embargo, un complejo patrón asimétrico también se produce en este caso.  Las fotografías muestran las trazas de papel picado que flota y se concentra en un lado (ver
video de flujo asimétrico ). Cuando se introduce un muro divisorio en la expansión, el flujo se vuelve simétrico (ver video de flujo simétrico).
Modelo fisico del desreanador de Quiroz: (a) Condition inicial con flujo asimetrico (b) Flujo simetrico despues de introducir el muro divisorio en la expansion.
SSIIM también fue aplicado en la simulación del desarenador de Quiroz y los resultados comparados con el modelo físico. El modelo numérico simuló correctamente el patrón de flujo inicial (asimétrico), así como el flujo simétrico después de introducir el muro divisorio (mostrado como una línea roja al centro).
Una comparación detallada de los perfiles de velocidad iniciales se muestran abajo. La x son mediciones en el modelo físico y las líneas negras los resultados numéricos. Es evidente que el perfil de velocidades logarítmico que la teoría asume no se cumple en este caso (en la vertical C, el flujo se mueve hacia aguas arriba). A pesar de la su complejidad, el patrón de flujo es  reproducido muy bien numéricamente demostrando la aplicabilidad de los modelos numéricos como herramientas de diseño.
Estas aplicaciones de modelación 3D de desarenadores son la primeras de su tipo en el Perú y de las pocas que en general se han realizado en el mundo. Este trabajo es parte de la tesis de ingeniero realizada por Juan Carlos Atoche en la Universidad de Piura.
Inicio | Hidro | Rios | Puentes | Investigación | EnseñanzaCV | Links | English
Actualizacion: 15 de noviembre de 2003
Autor: José Vásquez
e-mail: vasquez@civil.ubc.ca