diseño de ataguias - aprovechamientos hidroelectricos

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE HIDRÁULICA E HIDROLOGÍA

• •

APROVECHAMIENTOS HIDROELÉCTRICOS

Tercera Práctica Domiciliaria – HH 425 G

Tema : Dimensionamiento óptimos de ataguías y túnel para obra de derivación.

Profesor : Ing. Roberto Flores Jiménez

Estudiante : Isla Peláez, Erick R. 20020112 C

• •

- 28 de Octubre del 2006 –

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE HIDRÁULICA E HIDROLOGÍA

APROVECHAMIENTOS HIDROELÉCTRICOS 1

ÍNFORME DE LA TERCERA PRÁCTICA DOMICILIARIA

ÍNDICE

ÍNDICE ………………………………………………………………………………………. 1

RESUMEN EJECUTIVO ……………………………………………………………….….. 2

I. INTRODUCCIÓN ………………………………………………………………..…………. 3

II. OBJETIVOS ………………………………………………………….…………………...… 3

III. ALCANCES …………………………………………………………………………………. 3

IV. CRITERIOS DE DECISIÓN Y DISEÑO …………………………………………………. 4

V. ANÁLISIS DE RESULTADOS ……………………………………………………………. 4

VI. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ………………………………………….… 4

VII. REFERENCIAS BIBLIOGÁFICAS ……………………………………………….………. 5

ANEXOS ……………………………………………………………….……………………. 6



RESUMEN EJECUTIVO

El caudal de derivación más adecuado para la ejecución de las obras de cabecera de la

central hidroeléctrica en estudio, es de 1200 m3/s, con un periodo de retorno de 40 años. El monto

estimado por pérdidas y daños, bajo esta condición, es de aproximadamente 1.363 Millones de

dólares.

El diámetro del túnel aproximado, con el cual se realizaría la menor inversión, es de 14.50

m. De esta forma el costo estimado del túnel es de 4.407 Millones de dólares.

Considerando bordes libres de 1.0 m. y las recomendaciones anteriores, la ataguía aguas

abajo sería de 8.60 m de altura y la ataguía aguas arriba de 16.80 m. El costo de ambas ataguías

es de 2.149 Millones de dólares.



I. INTRODUCCIÓN

La construcción de las obras de cabecera de una central hidroeléctrica comúnmente

requiere el desvío del curso de las aguas del río aprovechado, para poder contar con un

área seca y propicia para la buena práctica constructiva.

En el caso de que el cauce se trate de un valle, un modelo adecuado para el desvío es el

conformado por un túnel que rodea el área de trabajo, y de ataguías que evitan el desborde

de las aguas del río en el área de trabajo, tanto aguas arriba, como aguas abajo.

En el proceso de diseño está incluida la determinación del caudal de derivación, el

diámetro del túnel y las alturas de las ataguías. Estos valores se pueden deducir a través de

análisis económicos que involucren costos y riesgos. Sin embargo, estos valores son

solamente referenciales, y es facultad del ingeniero a cargo del estudio, la selección

definitiva de los mencionados parámetros, basada en su criterio, experiencia y

responsabilidad.

II. OBJETIVOS

• Determinación del caudal de derivación económicamente atractivo y razonablemente

seguro.

• Selección del diámetro económico de túnel.

• Estimación de las alturas de ataguías aguas abajo y aguas arriba.

III. ALCANCES

El desarrollo de la tercera práctica domiciliaria comprende la determinación del caudal de

derivación, basado en un análisis de riesgos que involucre los costos de inversión y de

probables pérdidas y daños.

Las labores también incluyen la selección del diámetro del túnel y determinación de las

alturas de ataguía, de forma tal que esta configuración provea la alternativa más

económica.



IV. CRITERIOS DE DECISIÓN Y DISEÑO

• El incremento en el periodo de retorno conlleva a un incremento en el caudal de diseño

y una reducción en el factor de riesgo.

• La disminución del factor de riesgo conlleva a la disminución en los costos por pérdidas

y daño.

• El incremento en el caudal de derivación determina mayores costos de inversión.

• El aumento del diámetro del túnel trae como consecuencia aumentos en el costo del

mismo, y disminución en las dimensiones de las ataguías.

V. ANÁLISIS DE RESULTADOS

• Periodo de retorno económico : 40 años

• Factor de riesgo : 0.096

• Caudal de derivación : 1200 m3/s

• Costo de pérdidas y daño : US$ 1.363 Millones

• Diámetro óptimo del túnel : 14.50 m

• Costo del túnel : US$ 4.407 Millones

• Altura de ataguía aguas abajo : 8.60 m

• Costo de ataguía aguas abajo : US$ 0.660 Millones

• Altura de ataguía aguas arriba : 16.80 m

• Costo de ataguía aguas arriba : US$ 1.489 Millones

VI. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

• Para el diseño de las estructuras se recomienda optar por un tiempo de retorno

de 50 años, que si bien es cierto no es el más adecuado desde el punto de

vista económico, es un tanto más seguro que valor arrojado por el tiempo de

retorno óptimo. Por lo dicho, se recomienda diseñar al túnel con un diámetro de

14.80 m, altura de ataguía aguas arriba de 17.80 m, mientras que las de aguas

abajo sería de 8.90 m. Los costos se pueden observar con mayor detalle en el

anexo que se adjunta en este informe. El caudal a derivar sería de 1300 m3/s.

• Analizando con más detalle el resultado final se tiene que el tiempo de retorno

óptimo, desde el punto de vista económico, es el correspondiente a una

avenida de 40 años y un factor de riesgo de 0.096. Pero debido a la



importancia del riesgo que pueda ocasionar la falla de la obra, podría ser

posible invertir una cantidad adicional de aproximadamente 456 mil dólares

(5.76% del costo total de la obra para un periodo de retorno de 40 años) que

nos permita trabajar con un periodo de retorno de 100 años disminuyendo así

el factor de riesgo notablemente a 0.039. La elección de dicho periodo de

retorno con el que se desee trabajar dependerá sobre todo de la administración

y luego del criterio del profesional responsable.

• Cabe mencionar que sean 40 ó 100 los años del periodo de retorno, las

alternativas son seguras y razonables.

VII. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

• Manual de Pequeña Hidráulica: Cómo llevar a buen fin un proyecto de minicentral hidroeléctrica. Dirección General de Energía (DG XVII). Comisión Europea. Bruselas, 1998.

• Apuntes de clase.



ANEXOS A. MEMORIA DE CÁLCULO A.1 INFORMACIÓN DE ENTRADA

Características de la Obra

Longitud del Túnel = 1000.00 m.

Tiempo de Construcción = 4.00 años

Borde Libre de Ataguías = 1.00 m. (valor asumido)

Características Hidráulicas Coeficiente de Fricción en Tubería = 0.023 (Darcy & Weissbach)

Coeficiente de Entrada (KE) = 0.50

Coeficiente de Salida (KS) = 1.00

Pérdidas Económicas Número letras apellido paterno (Io) = 4

Retraso de un año en la construcción = 4.0 Millones US$

Por daños y perjuicios aguas abajo = 8.0 Millones US$

Información Hidrológica

(TABLA Nº 1)

Periodo de Retorno Caudal (años) (m3/s)

10 800 20 1000 50 1300

100 1600 200 2000

Curva de Calibración Caudal – Nivel de Desfogue

(TABLA Nº 2)

Caudal Nivel de (m3/s) Desfogue (m)

500 5.0 1000 7.0 1500 8.5 2000 9.5

Costo de Construcción del Túnel por Km.

(TABLA Nº 3)

Diámetro Costo (m) (Millones US$)

5 1.1 10 2.5 15 4.6 20 7.5



Costos de Construcción de Ataguías, aguas arriba y abajo.

(TABLA Nº 4)

Altura Ataguía Dique Aguas Dique Aguas (Incluye B.L.) Arriba Abajo

(m) (Millones US$) (Millones US$) 5 0.2 0.3

10 0.6 0.8 15 1.2 1.5 20 2.0 -- 25 3.0 --

A.2. PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN

Se procede a elegir un determinado periodo de retorno, digamos de 35 años (TR = 35). Para este periodo de retorno le corresponde una máxima avenida, Q35, cuyo valor se obtiene al interpolar los datos de la Tabla Nº 1:

/sm 1150Q 3

35=⇒

−

−=

−

−

2050

10001300

2035

1000Q35

Y, según la Tabla Nº 2, a este caudal le corresponde un Nivel de Desfogue ND35:

m 7.45ND35

=⇒−

−=

−

−

10001500

7.08.5

10001150

7ND35

Por lo tanto la altura H1 de la ataguía aguas abajo, mostrado en la Figura 1, tendrá un valor de:

m. 8.45H 1=⇒+=+= 1.007.45BLNDH 351

1

1

DD H12H

3CAUDAL (m / s)

NIVEL DE

DESFOGUE (m)

SECCIÓN 1-1

FIGURA 1



Para el cálculo de la altura de la ataguía aguas arriba se deben asumir diferentes diámetros de tuberías hasta encontrar el diámetro óptimo del análisis Costo - Beneficio. Asumiendo un diámetro D igual a 14.0 metros, se tiene que la velocidad V en la tubería es:

m/s 7.471 V =⇒×

×=

×=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

2235

14π

11504

4

Dπ

QV

Mientras que para el valor de la altura de la ataguía H2 aguas arriba será:

m 17.390H 2=⇒

×××+

××+

××+=

+++=∑+∑+=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

9.812

7.471

14

10000.023

9.812

7.4711.0

9.812

7.4710.58.45

2g

V

D

Lf

2g

VK

2g

VKHhh HH

222

22

S

2

E1Lf12

COSTOS Costo del Túnel Interpolando de la Tabla Nº 3:

US$ Millones 4.180Tubería Costo =⇒−

=−

−

10-15

2.54.6

1014

2.5Tubería Costo

Costo de Ataguía Aguas Abajo Interpolando de la Tabla Nº 4:

US$ Millones 0.645 AtaguíaCosto =⇒=−

5.0-10.0

0.30-0.80

5.00-8.45

0.3 AtaguíaCosto

Costo de Ataguía Aguas Arriba Interpolando de la Tabla Nº 4:

US$ Millones 1.582 AtaguíaCosto =⇒=−

15-20

1.2-2.0

15.00-17.39

1.2 AtaguíaCosto

US$ Millones 6.4071.5820.6454.180Derivación de Obras Costo =++= Costo por Daños y Perjuicios

El Factor de Riesgo viene dado por: 0.109FR =⇒−−=−−= ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

35

111

T

111FR

4n

R

Mientras que el Costo Total de Pérdidas Costo por Pérdida de Ataguías = 0.645 + 1.582 = 2.227 Millones US$ Retraso de una año en la Construcción = 4.00 Millones US$ Costo daños aguas abajo = 8.00 Millones US$

( ) US$ Millones 1.5588.004.002.2270.109Pérdidas a debido Costo =++×= Costo Total

US$ Millones 7.9651.5581.5820.6454.180Total Costo =+++=



En resumen se tiene:

Tr = 35

D Costos (Millones US$)

(m) Túnel Ataguías Derivación Daños 12.00 3.340 3.936 7.276 1.745 14.00 4.180 2.227 6.407 1.558 15.00 4.600 1.845 6.445 1.515 18.00 6.340 1.406 7.746 1.468 20.00 7.500 1.276 8.776 1.454

Diámetro Óptimo (m) 14.60

Costo Derivación (millones US$) 6.41

Costo Daños (millones US$) 1.53

DIÁMETRO ÓPTIMO (Tr=35 años)

Costo Obras Derivación

Ataguías

Túnel

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21D (m)

CO

STO

S (m

illon

es U

S$)

Se repite el mismo proceso para diferentes periodos de retorno y diferentes diámetros obteniendo así las siguientes tablas:

Tr = 25


(m) Túnel Ataguías Derivación Daños

12.00 3.340 3.247 6.587 2.297

14.00 4.180 1.911 6.091 2.096

15.00 4.600 1.648 6.248 2.056

18.00 6.340 1.282 7.622 2.001

20.00 7.500 1.188 8.688 1.987






DIÁMETRO ÓPTIMO (Tr = 25 años)


Túnel

Ataguías

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21D (m)

CO

STO

S (m

illon

es U

S$)

Tr = 30



12.00 3.340 3.585 6.925 1.976

14.00 4.180 2.067 6.247 1.784

15.00 4.600 1.745 6.345 1.743

18.00 6.340 1.343 7.683 1.692

20.00 7.500 1.226 8.726 1.677






Túnel

Ataguías

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11 13 15 17 19 21D (m)

COST

OS

(mill

ones

US$

)



Tr = 40


(m) Túnel Ataguías Derivación Daños 12.00 3.340 4.301 7.641 1.570 14.00 4.180 2.393 6.573 1.386 15.00 4.600 1.977 6.577 1.346 18.00 6.340 1.470 7.810 1.297 20.00 7.500 1.328 8.828 1.284






Túnel

Ataguías

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11 13 15 17 19 21

D (m)

CO

STO

S (m

illon

es U

S$)

Tr = 45



12.00 3.340 4.680 8.020 1.434

14.00 4.180 2.565 6.745 1.252

15.00 4.600 2.113 6.713 1.213

18.00 6.340 1.535 7.875 1.164

20.00 7.500 1.328 8.828 1.150








Ataguías

Túnel

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21D (m)

COST

OS

(mill

ones

US$

)

Tr = 50



12.00 3.340 5.072 8.412 1.325

14.00 4.180 2.755 6.935 1.145

15.00 4.600 2.253 6.853 1.106

18.00 6.340 1.601 7.941 1.056

20.00 7.500 1.436 8.936 1.043






Ataguías

Túnel

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

D (m)

CO

STO

S (m

illon

es U

S$)



Tr = 75



12.00 3.340 6.330 9.670 0.958

14.00 4.180 3.447 7.627 0.808

15.00 4.600 2.696 7.296 0.768

18.00 6.340 1.809 8.149 0.722

20.00 7.500 1.602 9.102 0.711






Ataguías

Túnel

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

D (m)

CO

STO

S (m

illon

es U

S$)

Tr = 100



12.00 3.340 7.681 11.021 0.775

14.00 4.180 4.171 8.351 0.637

15.00 4.600 3.245 7.845 0.601

18.00 6.340 2.018 8.358 0.552

20.00 7.500 1.754 9.254 0.542







C o st o Ob ras D erivación

A t ag uías

T únel

1

3

5

7

9

11

13

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

D (m)

CO

STO

S (m

illon

es U

S$)

TIEMPO DE RETORNO ÓPTIMO De las tablas anteriores se obtiene:

Tr COSTOS (Millones US$) (años) Derivación Daños Final

25 6.110 2.08 8.190 30 6.270 1.76 8.030 35 6.410 1.53 7.940 40 6.555 1.363 7.918 45 6.705 1.222 7.927 50 6.852 1.113 7.965 75 7.535 0.798 8.333 100 7.787 0.587 8.374

PERIODO ÓPTIMO DE DISEÑO

C. Daños

C. TotalC. Derivación

1

2

3

4

5

6

7

8

9

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110Tr (años)

Cost

os F

inal

es (M

illon

es U

S$)



A.3. INFORMACIÓN DE SALIDA Los valores y costos más adecuados para el diseño son presentados a continuación:

Tr = 40 años QOPTIMO = 1200 m3/s DOPTIMO = 14.50 m.

H1 = 8.60 m. H2 = 16.80 m.

COSTOS (Millones US$)

Derivación = 6.555 Daños = 1.363 Total = 7.918

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