IAHR APIHA

XXVII CONGRESO LATINOAMERICANO DE HIDRÁULICA

LIMA, PERÚ, 28 AL 30 DE SETIEMBRE DE 2016

INVESTIGACIONES EN MODELO FISICO PARA LA OPTIMIZACIÓN

DEL PROYECTO DE CIERRE DEL RIO CARONÍ EN TOCOMA,

VENEZUELA

Fabiola Vera (1)

, Gonzalo Montilla (2)

, Arturo Marcano (3)

(1) Departamento de Hidráulica de CORPOELEC, Venezuela, fvera@corpoelec.gob.ve

(2) Departamento de Hidráulica de CORPOELEC, Venezuela, gmontilla@corpoelec.gob.ve

(3) Asesor Consorcio DECOYNE, Venezuela, a-marcano@cantv.net

RESUMEN:

Para la construcción de las obras del Proyecto Tocoma, que aportará 2160Mw al sistema eléctrico

venezolano, el río Caroní fue desviado en dos etapas. La primera etapa finalizada el año 2011

permitió la construcción en seco de las obras principales del proyecto mientras el río Caroní era

desviado por la margen derecha. La segunda etapa de desvío del río consiste en transitar el río

Caroní por los 18 ductos de 5,5x9 m ubicados en el cuerpo inferior del Aliviadero que serán

eventualmente cerrados con compuertas, el llenado del embalse y con ello, las pruebas de la

primera unidad. En el modelo hidráulico a escala 1:80 del Proyecto Tocoma construido en las

instalaciones del Laboratorio de Hidráulica de CORPOELEC se realizaron los ensayos para

determinar y optimizar el mejor esquema de desvío incluyendo las investigaciones del cierre final

del río. Se ensayó el esquema de cierre vertical simple (con una ataguía) y el cierre vertical doble

(con dos ataguías). Las investigaciones permitieron definir el cierre doble como la mejor

alternativa, por cuanto se redujo el peso de los materiales a utilizar durante el cierre. En este trabajo

se presenta los resultados de la comparación entre ambos métodos, y la experiencia de prototipo

obtenida durante las operaciones de cierre. Se demuestra la valiosa utilidad de los estudios de

modelo para optimizar el uso de los materiales y equipos de construcción en cierres de ríos.

ABSTRACT:

Tocoma Project on the Caroní River located at South-eastern Venezuela, presently under

construction will add 2160MW to the Venezuelan electrical system. First Stage of river diversion

completed in April 2011 permitted the construction of the main works in the dry, while the Caroní

River was diverted at right bank. Second stage of river diversion consisted of routing the Caroní

River by using 18 sluices of 5,5x9m dimensions placed at the lower body of the spillway that will

be closed by using gates. The reservoir will be impounded, and the first generation unit be

commissioned. In the physical model built to 1:80 Scale of Tocoma Project at Hydraulic Laboratory

of CORPOELEC, investigations were done to determine and optimize the diversion scheme for the

project, including the river closure. River end dump method, single and double was tested in the

physical model and results obtained were compared. Double closure resulted in reducing the weight

of the rock elements required to close the river. This paper present the comparison of both methods

and their evaluation based on the world experience methodology used in large river closure

operations, and the prototype experience gained during Tocoma actual closure and the invaluable

usefulness of physical modelling to optimize this process.

PALABRAS CLAVES: Modelo Físico, Cierre de río, Construcción de Ataguías.

INTRODUCCIÓN

El Proyecto Manuel Carlos Piar (Tocoma) actualmente en construcción, con los Proyectos

Simon Bolívar (Guri), Antonio José de Sucre (Macagua) y Francisco de Miranda (Caruachi),

conforman el Desarrollo Hidroeléctrico del Bajo Caroní, al Sureste de Venezuela y añadirá un total

de 12.600 Gwh de energía promedio anual que se incorpora a los 76.440 Gwh ya instalada, lo que

constituye el desarrollo mas importante de Venezuela y uno de los mas importantes del planeta. En

el sitio de Tocoma, el río Caroní se expande a un ancho de aproximadamente 3.000 m. El caudal

promedio, máximo y mínimo es de 4.824,17 y 188 m3/s. El Proyecto incluye (Figuras 1 y 2A) una

casa de Maquinas con tomas integrada, equipada con 10 Unidades del Tipo Kaplan, una presa de

gravedad de, una presa de tierra y roca de 1.800 m de largo y 60m de altura (margen derecha) y una

presa de roca con pantalla de concreto de 3.800 m y 50 m de altura (margen izquierda). El

Aliviadero consiste en una estructura de doble cuerpo provista de 9 compuertas radiales de

15.24x21 m con capacidad para un caudal total de 28.750 m3/s en su parte superior y un cuerpo

inferior con 18 ductos de 5,5x9m diseñados para transitar el caudal máximo de desvío, estimado en

14.000 m3/s (Figura 3).

Figura 1.-Proyecto Tocoma- Principales Obras

Para la construcción de las obras que conforman el Proyecto Tocoma se contempla que el

Río Caroní sea desviado, parcialmente, de su cauce natural en dos etapas. En la primera etapa

iniciada en 2003, el río fue encausado hacía la margen derecha (Figura 2), mediante la

conformación de las Ataguías A1, A3, A4 y Anillo A6, las cuales permitieron la construcción en

seco de la Casa de Máquinas, el Aliviadero, la presa izquierda y parte de la presa derecha.

Figura 2.-Proyecto Tocoma- Primer Desvío. A- Planta General, B- Boquete de Desvío

A B

A6 A4

Con la apertura del primer ducto, ocurrida el 05 de Abril de 2011 se da inicio a la segunda

etapa de desvío que contempla en su fase final el cierre del río Caroní y su encauce total a través de

los 18 ductos ubicados en el fondo del Aliviadero (Figura 3). Posteriormente, una vez construidas

las obras principales a su cota final, se prevé el cierre de los 18 ductos lo que permitirá el llenado

del embalse y la progresiva puesta en marcha de las unidades generadoras.

Figura 3.-Proyecto Tocoma- Aliviadero de Doble Cuerpo

ESTUDIOS DEL DESVÍO DEL RÍO EN EL MODELO FÍSICO

El comportamiento de todas las estructuras hidráulicas del Proyecto Tocoma bajo

condiciones de operación temporales y de operación normal fue optimizado por medio de extensas

investigaciones realizadas en un Modelo Físico Tridimensional a Escala natural, 1:80 (Figura 4),

construido en el Laboratorio de Hidráulica de CORPOELEC-EDELCA.

En el modelo, diseñado y operado bajo la Ley de Similitud de Froude se representó un área

de 1.140 m2 (7.296.000 m

2 en prototipo). Construido en concreto con representación de la rugosidad

del fondo del Río Caroní, obtenida mediante calibración con mediciones de prototipo, el modelo

constituyó la herramienta principal para definir el alineamiento, ubicación, elevación de la cresta, y

protecciones requeridas por las ataguías de primera y segunda etapa de desvío, incluyendo la

optimización del cierre final del río, una de las actividades más críticas del proyecto.

Figura 4.- Proyecto Tocoma- Ensayos de primer desvío en el Modelo Hidráulico Esc. 1:80

Las investigaciones de cierre final del río se iniciaron con ensayos de diferentes anchos de

boquete de desvío asociados a un alineamiento de las Ataguías con el fin de optimizar su diseño

desde el punto de vista hidráulico y geotécnico. En una segunda etapa los ensayos se enfocaron en

optimizar la ubicación del sitio del cierre final, su grado de dificultad, cantidad y peso del material

requerido.

Todos los cierres de río importantes en el mundo se han llevado a cabo por uno de los

siguientes métodos, (ICOLD, 1986): cierre horizontal que implica colocar los materiales

uniformemente a lo largo de la brecha de cierre en el lecho del río, y cierre vertical que consiste en

avanzar con la construcción del dique partiendo de una orilla o de las dos hasta que se cierra la

brecha. Dependiendo del desnivel a vencer en el cierre de un río se puede optar por el uso de una

(cierre simple, desniveles hasta 3.5m) o más ataguías (cierre múltiple, desniveles > 3,5m). Un caso

destacado es representado por el Proyecto Xingó en Brasil (Figura 5) donde fue necesario el uso de

tres ataguías para vencer un desnivel total cercano a 10m (CIGB ICOLD, 2009).

Figura 5.- Proyecto Xingó cierre múltiple con tres ataguías

Dentro del proceso de optimación del cierre del río para el Proyecto Tocoma, se resaltan a

continuación, las configuraciones estudiadas de tipos de cierre vertical simple (con una ataguía) y

cierre vertical doble (con dos ataguías).

EVALUACIÓN DEL GRADO DE DIFICULTAD DEL CIERRE

A nivel mundial se han usado diferentes métodos empíricos para la estimación de las

características principales de los cierres de río, los ensayos sobre modelo son considerados

representaciones bastantes buenas de las condiciones hidráulicas tales como niveles de agua y

velocidades, aunque con menos precisión permiten definir el peso de los materiales necesarios.

El concepto de la Potencia Específica (Ps Ton.m/s/m) es usado para determinar la energía

potencial producida por la corriente por metro lineal, y viene dada por la expresión [1]:

Ps ═ ρQboq Δh/ (Bboq1000) [1]

Donde: ρ = Densidad del agua (Kg/m3), Qboq = Caudal del agua (m

3/s), ΔH = Desnivel en la punta

de la Ataguía (m), B boq= Ancho del Boquete (m). Mediante la ecuación [1] es posible predecir el

grado de dificultad que se producirá durante la operación del cierre del río (ICOLD, 1986). A su

vez, la Potencia Específica se asocia a un peso de roca mediante la expresión:

Peso = ( Ps*g)1/2

[2]

Donde: g es la aceleración de gravedad (m/s2). Asi, el uso de las ecuaciones [1] y [2] permiten

estimar los tamaños de roca necesarios para el cierre del río, para condiciones hidráulicas

conocidas.

Otros autores (ICOLD, 1986) han propuesto métodos alternativos para determinar el tamaño de roca

requerida para una condición de cierre hidráulico determinado (Tabla 1).

Tabla 1.- Pesos de los materiales necesarios para un cierre vertical (densidad 2,4 Ton/m

3)

ICOLD, 1986

ΔH(m) 0,5 1 2 3 4

W(Ton) 0,07 0,5 4 20 50

La experiencia brasilera (enfoque Izbash 1959) determina el tamaño de las rocas mediante la

ecuación [3].

V = 4,38(D)1/2

[3]

Donde V es la velocidad flujo en la punta de avance de la ataguía (m/s), D es el diámetro de roca

requerida (m). Es por ello que se considera necesario comparar los resultados para distintos

métodos extraídos de la experiencia mundial.

CIERRE VERTICAL SIMPLE

Partiendo de la excelente experiencia obtenida en el cierre del río Caroní en Caruachi

(Castro C.,et alia, 2006) se plantea el estudio del cierre del Proyecto Tocoma mediante el método

del cierre vertical simple aplicado a dos alternativas planteadas para avanzar desde la margen

derecha con ubicación aguas abajo (Figura 6A) y aguas arriba (Figura 6B). El objeto principal

consistió en determinar la Ataguía de cierre con mejores condiciones hidráulicas en cuanto a

velocidad y desnivel para un caudal constante de 5000m3/s y 18 ductos de desvío abiertos. Se

midieron niveles y velocidades en la punta de avance, se estimó la distribución de caudales entre el

boquete de desvío y los ductos durante el proceso de cierre.

Figura 6.- Esquema de cierre vertical simple. A- con Ataguía D2, B- con Ataguía C2

Como resultado principal se obtuvo que, en general, el comportamiento hidráulico de ambas

alternativas fue similar en cuanto a velocidades y desniveles, sin embargo se consideró que la

alternativa de cierre aguas arriba con la Ataguía C2 era la mejor opción por ofrecer mayores

ventajas desde el punto de vista constructivo. Las condiciones mas severas se presentaron para una

apertura de cierre de 20m, cuando se midieron velocidades de 6,8m/s y un desnivel de 3,5m, una

Potencia Especifica del flujo, Ps de 117 Ton.m/s/m, lo que permite estimar el peso de 34 Ton,

requerido para esta etapa del cierre.

A B

CIERRE VERTICAL DOBLE

En esta etapa de estudios, El Contratista plantea la optimización del cierre del río con la

construcción simultánea de las Ataguías C2 y D2, o cierre doble (EDELCA, 2010) con lo cual se

logra que se distribuya el desnivel total en dos partes, resultando en condiciones menos severas en

la punta de avance de la Ataguía de cierre, comparada con las que se obtienen del cierre simple. Por

la logística que se presentaba en la obra, en particular con los trabajos que retrasaron la apertura de

los ductos de desvío, se concibe el avance del cierre doble en dos fases: la Fase I (Figura 7)

consistió en la construcción anticipada de la Ataguía D2 desde la margen izquierda y con los 18

ductos cerrados, con el objeto de situar el boquete de cierre en la Ataguía D2 fuera del alineamiento

del flujo de agua proveniente del boquete de la Ataguía C2 en la fase final de la operación de cierre.

Estas condiciones fueron ensayadas en el modelo físico, para un caudal total de 5.000 m3/s. Como

criterio principal de estabilidad del material, se limito el tamaño máximo de éste a 2m, con lo cual

se logro un avance de hasta 150m de la Ataguía D2. Para longitudes mayores de 150m se apreciaba

perdida de estabilidad de los bloques.

Figura 7.- Fase I. Construcción de Ataguía D2 desde Margen Izquierda

La Fase II consistió en la construcción simultánea de las Ataguías C2 y D2, desde margen

derecha, considerando el desvío del río entre el boquete de cierre y los 18 ductos de desvío abiertos

(Figura 8), con el objeto de evaluar la viabilidad y el beneficio del cierre del río con la construcción

simultanea de dos ataguías.

Figura 8.- Esquema de las obras de desvío durante el cierre doble

Los avances de las Ataguías se realizaron con un caudal total de 5000 m3/s distribuidos entre el

boquete de cierre y los 18 ductos, hasta que la diferencia de nivel obtenida aguas arriba y aguas

abajo (puntos de medición de nivel ubicados en la misma ataguía) fuera de 1,5m lo cual se

consideró como un criterio clave del diseño del cierre doble (Figura 9).La aplicación de esta

metodología en modelo demostró beneficios importantes como la reducción del desnivel en la

Ataguía C2 hasta 1m, con respecto al esquema de cierre simple.

Figura 9.- Esquema de secuencias cierre vertical doble, con Ataguías C2 y D2

COMPARACIÓN DE ALTERNATIVAS Y MÉTODOS DE ESTIMACIÓN DE TAMAÑOS

DE ROCA

Para los estudios del proyecto Tocoma, realizados en modelo físico, fue necesario comparar

los requerimientos de roca para la Ataguía C2 por distintos métodos indirectos, previamente

descritos en este trabajo, basados en la experiencia mundial como la práctica en la antigua USSR,

las recomendaciones de ICOLD para cierres sin pérdida de material y la experiencia de Brasil

(ICOLD, 1986), tanto para el cierre simple como para el cierre doble (Figura 10). La tendencia de

las curvas para el cierre simple, por los tres métodos, muestra que para aperturas de boquetes

menores de 100m los requerimientos de peso de roca aumentan con una exigencia mayor, a

diferencia del cierre doble donde esto ocurre para boquetes menores de 50m.

Figura 10.- Peso de Roca Requerido para el cierre final, considerando cierre

doble y simple y estimaciones de formulas diferentes

0

2

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6

8

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Pe

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EXPERIENCIA MUNDIAL ICOLD RECOMENDACIONES ICOLD (Sin arrastre de material) EXPERIENCIA BRASIL

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Brecha (m)

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Cierre Doble

EXPERIENCIA MUNDIAL ICOLD RECOMENDACIONES ICOLD (Sin arrastre de material) EXPERIENCIA BRASILEXPERIENCIA MUNDIAL ICOLD RECOMENDACIONES ICOLD (Sin arrastre de material) EXPERIENCIA BRASIL

Cierre Simple

Cierre Doble

0+150

225m

340m

0+150

225m

340m

0+150

225m

340m

0+150

210m

250m

0+150

210m

250m

29/03/12 10/04/12

Para el método que considera la potencia específica (USSR) no se aprecia diferencias notables en el

peso de roca para los dos métodos de cierre, 34Ton Vs 30 Ton. La evaluación usando la

experiencia de ICOLD para cierres sin considerar pérdidas (Tabla1) muestra pesos de roca de 32 y

10Ton para cierre simple y cierre doble, respectivamente. La estimación bajo la experiencia de

Brasil (Izbash), demostró resultados mucho mas optimistas para un boquete crítico de 20m, con

pesos de roca de 20 y 6Ton para el cierre simple y cierre doble, respectivamente. Evidentemente

existen diferencias marcadas entre los tamaños determinados para una misma condición de cierre

del río con las distintas ecuaciones de estimación, sin embargo los resultados muestran que el cierre

simple tiene requerimientos de tamaños de rocas mayores que el cierre doble, en los tres métodos

de estimación empleados.

CIERRE EN EL PROTOTIPO

El programa de cierre final del río se llevo a cabo con éxito entre el 04 y el 28 de Abril de

2011, en estricto cumplimiento en cuanto a la secuencia de avance de las ataguías de acuerdo al

diseño optimizado elaborado en modelo hidráulico con la excepción de que solo se abrieron 16

ductos. Durante la ejecución de los trabajos de cierre, se llevó a cabo el monitoreo de los niveles del

agua en el área del proyecto (Figura 8). La Figura 11 muestra el reporte de los caudales horarios

totales llegando al sitio, los niveles del agua en la zona aguas arriba del aliviadero (I-2 Figura 8) y

la secuencia de apertura de los 16 ductos de desvío. El caudal promedio total fue de 4551m3/s con

picos horarios de hasta 6000m3/s. Es importante destacar la reducción de caudal total que ocurrió

entre el 18 y el 24 de Abril, producto de la disminución de la demanda energética en la Central

Hidroeléctrica Guri en días de asueto de Semana Santa. Sin embargo, durante esta reducción los

niveles se mantuvieron relativamente constante aguas arriba del proyecto (95 msnm) debido a la

reducción del boquete de la ataguía C2 de 105 a 70m.

Figura 11.- Proyecto Tocoma - Inicio de Segunda Etapa de Desvío y Cierre Final del Río

La Figura 12 muestra las mediciones de niveles en la punta de avance de las ataguías C2 y D2

durante todo el proceso de cierre final del río, es interesante notar que se mantuvo el criterio de

desnivel máximo por ataguía de 1,50 m, con excepción del los últimos 50m donde el desnivel, en la

punta de avance de la ataguía C2 se incrementó.

93,50

94,00

94,50

95,00

95,50

96,00

96,50

97,00

97,50

98,00

98,50

99,00

99,50

04/0

4/2

01

1 0

:00

06/0

4/2

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0:0

0

08/0

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:00

10

/04/2

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0

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:00

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16

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20

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22/0

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24/0

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01

1 0

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4/2

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:00

28/0

4/2

011 0

:00

30

/04/2

01

1 0

:00

Niv

el

de

l A

gu

a (

ms

nm

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

6500

Ca

ud

al

(m3/s

)Caudal Total en Tocoma

Nivel Aguas Arriba Tocoma

04/04 12/0410/0408/0406/04 14/04 24/0422/0420/0418/0416/04 30/0428/0426/04

2D 3D 4D 6D 7D 8D 11D

10D

9D 12D15D

14D

13D

16D

Boquete de Ataguía C2 (m)

Fecha

320 220235270310 185 759090105140 040

Cierre Final del RíoInicio de Segundo Desvío

5DCaudal Promedio 4551m3/s

Figura 12.- Desniveles en la Punta de las Ataguías, A-Ataguía C2, B-Ataguía D2

La máxima carga diferencial total entre las dos Ataguías principales fue de 3,83m, distribuidas en

3,10m por la Ataguía C2 y 0,73m por la Ataguía D2, para los boquetes de 36 y 30m

respectivamente el día 27 de Abril. Para estas condiciones el caudal en el boquete fue muy bajo y

no hubo necesidad de recurrir a rocas de tamaño especial (pesos mayores a 17 Ton). Gracias a un

excepcional monitoreo de las fases del cierre en prototipo se pudo lograr una exitosa correlación

posterior.

Figura 13.- Esquema de cierre con Ataguía C2, cierre vertical doble,

brecha final en Ataguías C2 y D2

CONCLUSIONES

Se corrobora la gran utilidad del modelo físico para la evaluación preliminar, el diseño final

y apoyo a la construcción de las obras de desvío, en especial para la ejecución de los trabajos de

optimización del cierre final.

La comparación de las estimaciones del peso de los elementos de cierre por las diferentes

formulas empíricas que fueron alimentadas por datos del modelo físico, igualmente permitieron

comparar el grado de dificultad de de las diferentes alternativas de cierre. Las opciones de cierre

doble siempre arrojaron opciones más favorables a las asociadas al cierre simple.

Ataguía C2

Ataguía D2

Ataguía C2

Ataguía D2

0

1000

2000

3000

4000

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0,50

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4,50

Q -

Cau

dal

Gu

ri (m

3/s)

Δ-

De

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el (

m)

Δ - Desnivel entre D2 y D4

Δ - Desnivel Caudal Total Tocoma

10-04

Fecha

15-04 20-0405-04 25-04 30-04

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l m

3/s

0

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Δ-

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Δ - Desnivel entre D2 y D4

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3/s

)

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l (m

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10-04 15-04 20-0405-04 25-04 30-04

Fecha

Cau

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0

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0,00

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3/s

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De

sn

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l (m

)

Δ - Desnivel entre D6 y D8Δ - Desnivel Caudal Total Tocoma

10-04 15-04 20-0405-04 25-04 30-04

Fecha

Cau

dal

m3/s

A B

El esfuerzo del monitoreo permanente de los desniveles en las puntas de avance de ambas

ataguías durante el proceso de cierre contribuyó acertadamente en la toma de decisiones. El hecho

de mantener el desnivel máximo en 1,5m en las puntas de avance de las ataguías permitió al

Contratista el uso de material de la cantera normal con pesos de roca de hasta 17Ton.

En la obra, muchas condiciones cambian como producto de la dinámica de construcción, los

equipos, los materiales disponibles, los caudales de aporte, lo que requiere ajustes a condiciones de

campo diferentes. El éxito del Contratista en obtener las mejores condiciones de cierre se debió a

guiarse de los estudios del esquema optimizado en el modelo físico.

REFERENCIAS

International Commission on Large Dam (1986). “River Control During Dam Construction”, Bulletin 48.

C.V.G Edelca, Departamento de Hidráulica (2010). “Proyecto Tocoma. Optimización del Cierre del Río

Caroní en Tocoma, Modelo Hidráulico a Escala 1:80”.

CIGB ICOLD (2009). “Diversion of Large Brazilian Rivers”. Brazilian Committtee on Dams.

Marcano, A., Campero, P., Paris, J (2010). “Manuel Piar Hydroelectric Powerplant-Tocoma Project,

Hydropower Lisbon, Portugal.

Montilla, G., Martínez, E., Marcano A., (2010). “Tocoma Hydroelectric Project”, Spotlight, Newsletter

Vol. II, Section of Hydraulic Structures, IAHR.

Castro, C., Montilla, G., Patiño, P., Martínez, E. (2006). “Caroní River Closure at Caruachi Correlation

Model – Prototype, International Symposium on Hydraulic Structures, IAHR Ciudad Guayana.