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Enrique SilvaGÓMEZ CAJIAO
COLOMBIA
TÚNELES
DESARROLLO DE TÚNELES HIDRÁULICOS EN COLOMBIA
Túneles Hidráulicos
Túneles HidráulicosLos túneles hidráulicos básicamente sonaquellos destinados a conducir agua.
Esta definición aunque parezca obvia pone depresente el hecho, conducir agua, que lesconfiere su singularidad.
Existe una gran variedad en cuanto a su uso:• Aprovechamiento hidroeléctrico• Abastecimiento de agua
• Alcantarillado sanitario y alcantarilladopluvial
• Trasvase de cuenca• Riego• Drenaje• Enfriamiento de plantas térmicas
En cuanto a su diseño los túneleshidráulicos presentan, respecto a los demástúneles, la particularidad de que puedentener una presión interior.
Desde los puntos de vista de geología,geotecnia y construcción los túneleshidráulicos no presentan diferenciasimportantes con otros túneles.
En Colombia se han construido cientos dekilómetros de túneles hidráulicos y siguen enauge debido a la creciente necesidad deenergía y al saneamiento de las ciudades.
Secciones de túneles hidráulicos
Antecedente Histórico de la
Antigüedad
Túnel de EupalinosEn el año 530 a.C. el tirano Polícrates estabapreocupado por llevar agua a la ciudad griega deSamos. Había fuentes de agua pero estaban alotro lado del monte Castro.
El ingeniero Eupalinos fue elencargado de construir untúnel que atravesara esemonte.
Fuente: Google Earth
Samos
Planta Túnel de Eupalinos
Fuente: June Goodfield. Scientific American,1964
Perfil Túnel de Eupalinos
Fuente: June Goodfield. Scientific American,1964
Sus hombres excavaron desde ambosextremos y se encontraron casi en el mediode su longitud de 1036 m cuya diferencia dealtura entre los dos portales es de 1.80 m.
Fuente: June Goodfield. Scientific American,1964
Túneles Hidráulicos en Colombia
Túneles hidráulicos en Colombia
En Colombia los túneles hidráulicosestán representados principalmentepor los de las hidroeléctricas y los deabastecimiento de agua. En los últimosaños ha habido un incremento en laconstrucción de túneles paraalcantarillado.
Existen túneles en hidroeléctricas como:Guatapé, Guadalupe IV, La Tasajera,Playas, Porce II, Porce III, Troneras,Jaguas, San Carlos, Chivor, Miel I,Salvajina, Urrá I, Canoas, Colegio, LaGuaca, Guavio, El Paraíso, Laguneta,Salto II, Betania, Río Mayo, Prado, AltoAnchicayá, La Ínsula, Calima, BajoAnchicayá, Niquia, Calderas, Nima1-2,Caracolí y otras de menor capacidad.
Como túneles para abastecimiento de agua ypara alcantarillado se encuentran entreotros: Palacio-Ríoblanco, El Faro, Siberia,Usaquén (2), Santa Bárbara, Ranchería, LosRosales, Interceptor Río Bogotá, InterceptorFucha-Tunjuelo, Interceptor Tunjuelo Bajo.
Para trasvases se han construido entre otroslos túneles de Río Rucio, Río Negro, RíoTenche, Río Tunjita, Río Chivor, RíoGuatiquía, Río Batatas, Q. Leticia
Muchos de los túneles de presión estánacompañados de pozos y de almenaras queasí mismo constituyen obras subterráneashidráulicas.
En Colombia hay cerca de 325 km de túneleshidráulicos y unos 7.5 km de pozoshidráulicos. Para un total aproximadode 332.5 km.
Como cifra comparativa en la actualidadexisten en el país alrededor de 78 km detúneles viales.
Antecedente Histórico
Túnel Laguna de FúqueneLos terrenos que rodean la laguna deFúquene sufren inundaciones periódicas.
Para secar los terrenos el ingeniero ManuelH. Peña propuso en el año 1877 construir untúnel de 17.63 m2 de sección y 1400 m delongitud.
El túnel comenzó a construirse a razón de40 cm/día pero en 1878 la obra se paralizó.
En 1936 el ingeniero E. Santo Pottes seocupó también del problema de lasinundaciones criticando el diseño de untúnel de 1740 m sugerido en 1926 por lafirma Julius Berger y propuso desecarsólo con canales.
No se sabe a ciencia cierta qué pasó peroexiste un túnel del año 1919 a medioconstruir.
Plano General de la Laguna de Fúquene1934
Fuente: Biblioteca Banco de la República.
Túneles en el Presente
Túneles en hidroeléctricas
Fuente: Empresas Públicas de Medellín.
Porce II
Túneles de Desviación
Los túneles de desviación se excavan y revistenpreviamente al periodo de construcción de unapresa. Junto con las ataguías se emplean parapermitir secar y excavar el lecho del río donde seva a cimentar la presa.
El tamaño de los túneles de desviación tiene quever con el concepto de riesgo de poblacionesaguas abajo y con el cronograma deconstrucción de la presa.
Estos túneles tienen un costo considerable ypor lo tanto se debe tratar, siempre que seaposible, de utilizarlos como:
• Descargas de fondo• Obras de toma• Rebosaderos
una vez terminada su función de desvío.
Hidroeléctrica Río Prado
Fuente: SOGEI, 1962.
Hidroeléctrica Urrá I
Para construir la presa de la central hidroeléctricaUrrá I el sistema de desviación del río Sinú contócon 2 túneles, inicialmente diseñados conrevestimiento de concreto.
Por razones de programación, para cumplir con lafecha de desvío en el verano de 1996 y no atrasarel proyecto un año, se decidió revestir el arco y lasparedes del túnel No.2 con concreto lanzado en lamayoría de su longitud.
Después de 4 años de funcionamiento, los dostúneles mostraron un estado excelente en susrevestimientos.
Por la experiencia obtenida con los túneles dedesviación de la hidroeléctrica Urrá I se puedeconcluir que el revestimiento liso de concreto y elrevestimiento rugoso de concreto lanzado,pueden presentar el mismo comportamientoestructural para resistir las fuerzashidrodinámicas generadas por el caudal líquido ysólido del río.
Túnel de Desviación Nº 1Revestimiento con concreto convencional
Fuente: Ing Enrique Silva Monteil.
Túnel de Desviación Nº 2Revestimiento con concreto lanzado
Secciones hidráulicamente equivalentes
n = Coeficiente de Manning
Un Problema en Túneles de Desviación
Los troncos y árboles caídos que arrastran lascrecientes causan serios problemas deobstrucciones en las entradas de los túneles dedesviación.
Para reducir o evitar el problema se recomiendaabocinar el portal de entrada con curvas verticalesmas amplias que las recomendadas por el cálculohidráulico. El alineamiento horizontal del túneldebe tener curvas de radio grande con relación asu diámetro.
Problemas con troncos
Problemas con troncos
Presa Ing. Martín Elvira
(Onia), Estado Mérida
Venezuela.
Hidroeléctrica Urrá I
Fuente: Ing. L. M. Suárez Villar
Fuente: Ing Enrique Silva Monteil.
Túneles y Energía del Agua
El agua, como muchas otras substancias, tienedos clases de energía: cinética y potencial.
Ambas clases de energía juegan un papel muyimportante en el diseño de los túneleshidráulicos.
La energía cinética se manifiesta en velocidadde flujo y en presión dinámica. La energíapotencial se exterioriza como presiónestática.
Túneles y energía del agua
La velocidad influye sobre el revestimiento y sobrela sección del túnel. Las presiones estática ydinámica rigen el confinamiento del túnel, queconsiste en la habilidad del macizo rocoso pararesistir la presión interna sin ayuda de unrevestimiento.
Si el confinamiento es inadecuado puede habergateo hidráulico con abertura de grietas que llevana fugas de agua.
Se dispone de varias técnicas para calcular elconfinamiento tanto vertical como lateral, cada unacon sus respectivos méritos y deficiencias.
Presión interna y presión externa
Fuente: Ing Enrique Silva Monteil.
Estados de confinamiento
Fuente: EPRI AP-5273. Project 1745 – 17. University of California, 1987.
Cabeza estática y dinámica
Almenara Chivor I – Rechazo de carga
Fuente: MotorColumbus, 1972.
Almenara Chivor I – Toma de carga
Fuente: MotorColumbus, 1972.
Problemas por Energía Cinética
Consiste en la formación, movimiento y colapsode cavidades de vapor en un fluido.
Las cavidades de vapor, o burbujas, se formandonde la presión en el fluido llega a sersubatmosférica lo que hace que se convierta envapor.
Las cavidades de vapor son arrastradas por elfluido a regiones de más presión donde el vaporno puede existir como tal.
Cavitación
Cuando una cavidad colapsa cerca de unasuperficie sólida desarrolla una púa de líquidodenominada microjet que impacta la superficie.
Enseguida la cavidad rebota y produce una ondade choque que golpea la superficie también.
El mecanismo de colapso de las cavidades creapresiones instantáneas de miles de kilos porcentímetro cuadrado que destruyenla superficie de flujo.
Diagrama de estados del agua
Fuente: J. B. Jones y G.A. Hawkins. Engineering Thermodynamics, 1970.
Cavitación
Fuente: J.W. Ball, 1963.
Cavitación rebosadero Yellowtail
Fuente: USBR.Documentation of Yellowtail Daw Spillway,1971.
Casos Históricos de Presión en Túneles
El túnel de carga de Chivor II sigue un alineamientoparalelo al de Chivor I.
Cuando se estaba llenando el túnel de Chivor I porprimera vez, se notó un descenso súbito de 16 m enel nivel de agua en la almenara. Horas despuésapareció una infiltración muy fuerte en el túnel decarga de Chivor II que se encontraba enconstrucción. La infiltración aumentó con el tiempohasta llegar a un caudal de 1.5 m3/s que inundó eltúnel y detuvo su excavación.
Presión Interna
Al desocupar el túnel de Chivor I se encontró queel revestimiento de concreto en una zona de rocamuy alterada se había fracturado y desplazadounos 2 cm. En esta zona se había hecho untratamiento muy especial que mostró serinsuficiente.
La reparación del túnel esencialmente consistió encolocar capas concéntricas de parrillas de aceroembebidas en capas de concreto lanzado, conresultados muy satisfactorios.
Fuente: Ing. Uriel Salazar Duque, Comisión de Integración Eléctrica Regional, 1986.
Presión ExternaEl túnel inferior de Chivor II tiene un blindaje de3.9 m de diámetro.
En el proceso de instalación un día se registró unpandeo rápido del blindaje en la clave de laabscisa K6+075. La deformación se extendió enmedia hora 13 m aguas arriba y 14 m aguasabajo.
La deformación fue sinusoidal con un sólo lóbulode amplitud 2 m desde la clave del túnel. Lapresión externa pudo llegar a ser unos 32kg/cm2 .
La reparación se hizo instalando un nuevoblindaje de menor diámetro.
En el mismo túnel y aproximadamente unkilómetro aguas abajo, año y medio después delpandeo descrito, ocurrió un fenómeno similarpero en el cuadrante inferior derecho delblindaje. La lámina alcanzó a tener unadeformación plástica del orden del 2%.
La reparación consistió en dejar la láminadeformada y rellenar la ampolla con mortero.
Fuente: Ing. Uriel Salazar Duque, Comisión de Integración Eléctrica Regional, 1986.
Planta y perfil Chivor I
Fuente: Ing. Uriel Salazar Duque, Comisión de Integración Eléctrica Regional, 1986.
Planta y perfil Chivor II
Fuente: Ing. Uriel Salazar Duque, Comisión de Integración Eléctrica Regional, 1986.
Corte transversal Chivor I y Chivor II
Fuente: Ing. Uriel Salazar Duque, Comisión de Integración Eléctrica Regional, 1986.
Chivor II – pandeo del blindaje
Fuente: Ing. Uriel Salazar Duque, Comisión de Integración Eléctrica Regional, 1986.
Túnel Inferior
El túnel Palacio – Ríoblanco tiene 28.4 km delongitud entre el embalse de Chuza y Simayá. Parasu construcción se proyectó una Ventana en el K18.
El túnel originalmente fue concebido para trabajar apresión en toda su longitud. En su extremo inferiortenía dispuesta una válvula tipo Howell-Bunger.
El tramo del túnel entre Ventana y el portal desalida, encontrándose en rocas de calidad muyregular, era el que estaría sometido a mayor presióninterna (=12 kg/cm2).
Alineamiento vs. Presión
El consultor L.v. Rabcewiczpropuso un cambio en elalineamiento que finalmente seaceptó como el definitivo.
El cambio sugerido fue colocarla válvula disipadora de energíadentro del túnel en Ventana,elevar el alineamiento entreChuza y Ventana e inclinar lapendiente entre este sitio y elportal de salida para convertireste tramo en un túnel a flujolibre.
L.v. Rabcewicz
Túnel Palacio Ríoblanco
Alternativas de alineamiento
Fuente: Ing Enrique Silva Monteil.
Las ventajas de esta modificación fueron:
• Reducir la presión interna en 18 km detúnel.• Reducir a cero la presión interna en 10km de túnel.•Acortar la profundidad de los pozos delRíoblanco.
La alternativa de diseño no implicóningún costo adicional en el proyecto.
Planta y perfil sistema Chingaza
Fuente: Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá, EAAB.
Revestimiento en Túneles Hidráulicos
Un túnel presurizado no revestido es una fuentede fugas, pero el concreto simple, el concretolanzado y el concreto reforzado comorevestimiento final deben ser tratados como noexistentes debido a que se agrietan porretracción de fraguado y por la presión interna yse convierten en una cáscara permeable.
Las mallas de acero lo que hacen es distribuir lasgrietas y reducir la permeabilidad delrevestimiento.
Revestimiento en túneles hidráulicos
Si el revestimiento es más permeable que elmacizo de roca circundante la resistencia queaporta a las fugas será mínima y la presióninterna total llega a la masa de roca.
El flujo a través de las grietas es del tipoviscoso y la velocidad de este flujo aumentacon el cuadrado del ancho de la grieta y elcaudal de fuga aumenta con el cubo de eseancho.
Donde:
q = caudal por longitud de grieta (cm3/s.cm)Pi= presión interna (kg/cm2)b = ancho de la grieta (cm)μ = viscosidad dinámica (centipoises)
Por esta razón es deseable limitar el ancho degrietas en túneles presurizados donde se ha elegidoponer un revestimiento.
Los procesos de cálculo correspondientes encierranmuchas variables, algunas difíciles de determinarcon precisión.
μ12
3bPq i=
Trampas de Roca
El propósito de las trampas es recogerfragmentos de roca y suelo removidos de lasuperficie del túnel sin revestir y pedazos derevestimientos que hayan fallado porfluctuación de presiones.
Las consecuencias de no atrapar estosmateriales son erosión de la solera y daños alas turbinas.
Trampas de roca
La localización típica de las trampas de gravaes aguas arriba de los sectores revestidos conconcreto o blindados y algunas veces aguasabajo de la intersección con pozos.
El volumen de la cámara se diseña como unafunción de la superficie expuesta, porejemplo 1.3 m3 por cada 100 m2 desuperficie aguas arriba no revestida.
Fuente: Ing. Uriel Salazar Duque, Comisión de Integración Eléctrica Regional, 1986.
GRACIAS …