COLEGIO DE INGENIEROS CIVILES DE COSTA RICA CONGRESO CIC-2010 SAN JOS, COSTA RICA. OCTUBRE 2010

ESTUDIO DE FACTIBILIDAD Y DISEO BASICO DE LA PRESA DRATIng. Rolando Vega Beirute, MBA, Esp., Ing. Rafael Murillo Muoz, Ph.D. SETECOOP R.L, San Jos, Costa Rica, Email: rvega@stcgrupo.com

RESUMEN: El gobierno de Costa Rica, a travs del Servicio Nacional de Aguas Subterrneas, Riego y Avenamiento, SENARA, con fondos de preinversin del BCIE, promovi el estudio de factibilidad, diseo bsico y estudio de impacto ambiental del proyecto de uso mltiple Presa Piedras. Fruto de este estudio se defini una estructura de enrocado con paramento de hormign en el ro Piedras, con un embalse para regular el caudal para riego, toma de agua potable y generacin hidroelctrica a pie de presa. La estructura se ha diseado para las condiciones hidrulicas de crecidas con un vertedor frontal de compuertas radiales, para resistir las solicitaciones ssmicas propias de la zona, para dotar de agua potable a la regin central del Pacfico Norte y para aprovechar la generacin hidroelctrica. PALABRAS CLAVES: Riego, ro Piedras, Guanacaste, DRAT, SENARA

INTRODUCCIN El proyecto de la represa del Distrito de Riego Arenal Tempisque (DRAT) se ubica al sur de la ciudad de Bagaces, en el cantn del mismo nombre, provincia de Guanacaste. El objetivo primordial del proyecto es el almacenamiento y regularizacin del suministro de agua para las zonas de riego que se encuentran bajo la influencia del tramo II del Canal Oeste. Sin embargo, el proyecto ha sido visualizado como un embalse de uso mltiple por lo que las obras incluyen el suministro de agua potable para la parte oeste de la Provincia de Guanacaste, tanto para las poblaciones con problemas de abastecimiento como para los desarrollos tursticos, as como para la generacin hidroelctrica. Es de esperar adems que en los terrenos aledaos al lago se desarrollen actividades tursticas y recreativas, por lo que ser tambin de gran beneficio para las poblaciones cercanas. El proyecto pertenece al Servicio Nacional de Aguas Subterrneas, Riego y Avenamiento (SENARA) y se denomina proyecto de Presa Piedras. Se presenta a continuacin los resultados principales del estudio de factibilidad realizado por el Consorcio SETECOOP-SOCOIN (2010) el cual fue financiado por el fondo de pre-inversin del Banco Centroamericano de Integracin Econmica (BCIE). El estudio preliminar del proyecto fue realizado por el Consorcio Bel Ingeniera-Tahal en el ao 1990. A continuacin se describen las caractersticas generales del proyecto, se presentan los resultados de los estudios geolgico y geotcnico del rea del proyecto. Posteriormente se discuten la seleccin de la topologa de la represa, las caractersticas del aliviadero, de las obras de toma, del esquema de derivacin, de la operacin del proyecto y de la generacin hidroelctrica. Finalmente se presenta el anlisis de rentabilidad y conclusiones derivadas de los estudios realizados.

CARACTERISTICAS DEL PROYECTO El proyecto de presa Piedras consiste en el aprovechamiento de las aguas turbinadas del Complejo Hidroelctrico Arenal Corobic Sandillal, (Arcosa), propiedad del ICE, y del caudal del ro Piedras aguas abajo de la ciudad de Bagaces. Las aguas turbinas del Complejo Hidroelctrico son derivadas hacia el Canal Sur (35 m 3/s) y el tramo I del Canal Oeste (55 m3/s) mediante la represa derivadora Miguel Pablo Dengo. La Presa Piedras se ubica en la cota 18,70 msnm sobre el ro Piedras, donde el Tramo I del Canal Oeste entregar sus aguas al embalse producido por la construccin de la represa. La Figura 1 muestra la ubicacin esquemtica del sitio de presa del proyecto Piedras.

Figura 1.- Ubicacin del proyecto presa Piedras en el pas. La construccin de la represa generar un embalse cuyo volumen alcanzar 97 Hm3, con una extensin mxima de 795 Ha. Este embalse permitir regular los caudales destinados para riego, asegurando el suministro de agua para la produccin agroindustrial de 25.000 Ha a abastecer por el tramo II del Canal Oeste existente. Facilitar adems el suministro de agua potable a una regin que padece escasez de dicho lquido y que ha visto afectadas sus fuentes, permitir no solo abastecer a las poblaciones con problemas y al sector turstico, sino tambin desconectar en el mediano plazo los pozos de bombeo existentes, con lo que se mejorar sensiblemente la recarga de los acuferos y se evitar la contaminacin con agua de mar de los pozos. Finalmente el proyecto permitir generar aproximadamente 9 MW de hidroelectricidad mediante una casa de mquinas ubicada al pie de presa. Por todas estas razones este es sin duda el proyecto de infraestructura ms importante de la provincia de Guanacaste y uno de los principales del pas. Las obras principales del proyecto son la represa sobre el ro Piedras, la cual ser de enrocado con pantalla de hormign, el vertedor de excedencias, la toma de agua para riego y generacin hidroelctrica, la toma para agua potable, la casa de mquinas, las obras de desvo as como de limpieza. La Figura 2 muestra una vista general del arreglo del proyecto.

Figura 2.- Arreglo de la presa desde aguas arriba, mostrando obras de toma, desvo de fondo y vertedor de excedencias.

GEOLOGA Y GEOTECNIA Aunque las condiciones geotcnicas son medianas, la construccin de la presa en el sitio seleccionado es tcnicamente factible. El subsuelo del sitio y sus alrededores se han dividido en tres unidades geotcnicas: la unidad A, compuesta por una secuencia alternante de espesores variables de tobas, areniscas (tobas reprocesadas) y basaltos, la unidad B, que consiste en una corona de ignimbrita cubriendo comnmente la unidad A; la unidad C, integrada por aluvin y bloques de talud gruesos. De acuerdo con la informacin regional y en ausencia de informacin del sitio que pueda ser contradictoria, el coeficiente ssmico recomendado para el diseo es de 0,30g. Es importante sealar que las campaas geolgica y geotcnica efectuadas no mostraron la presencia de fallas activas en las inmediaciones del rea de proyecto. Por otra parte, los resultados obtenidos en los estudios realizados indican que el vaso del embalse se puede considerar como estable. Tras las pruebas de permeabilidad llevadas a cabo en el estudio geolgico, es factible concluir que el vaso del embalse es impermeable, se han estimado permeabilidades en el rango de 10-5 para las tobas, 10-6 para las lavas y de 10-7 para los basaltos. Segn el estudio geolgico, la cimentacin de obras sobre unidades de toba y lava, requiere una remocin de las coberturas aluviales presentes en ambas mrgenes del ro. En cualquier caso, en la cimentacin del plinto de la represa es necesario llegar a la roca sana y en principio se ha considerado el estrato de lavas vesiculares, para evitar cualquier tipo de asentamiento en la estructura. La parte inferior del canal del aliviadero y el puente sobre el canal oeste se cimentar sobre lavas. Las rocas a utilizar en la represa se obtendrn de las ignimbritas y lavas expuestas en la parte alta del vaso, mismas que servirn de soporte para el sector central de la presa y del aliviadero.

Figura 3.- Mapa Geolgico zona del rea del proyecto.

ESTUDIO DE OPCIONES DE LA TIPOLOGA DEL CUERPO DE LA PRESA Para la seleccin del tipo de presa se realiz un estudio comparativo de las siguientes tipologas: a) Enrocado con pantalla de hormign b) Hormign compactado con rodillo c) Materiales sueltos con ncleo de arcilla En la comparacin de opciones se tom en consideracin que para el caso de enrocado con pantalla de concreto y de ncleo de arcilla, el aliviadero del embalse estara localizado en la margen derecha, fuera del cuerpo principal de la represa. En el caso de hormign compactado con rodillo se consider que el aliviadero estara integrado con el cuerpo de presa. En este ltimo caso consider el cierre del collado de la margen derecha con un dique, pues el aliviadero no se situara en esta zona. Adicionalmente a lo anterior se tom en consideracin lo siguiente: 1) La solucin de hormign compactado requiere una cimentacin ms profunda que la presa de enrocado, estimndose sta en 12 metros aproximadamente. 2) La presa de escollera o enrocado es ms fcil de construir porque requiere de un solo tipo de material (roca) y de una sola clase de equipo de compactacin. 3) La roca necesaria para la construccin de la escollera se encuentra en el rea de proyecto; en cambio, an no se ha localizado en las cercanas de la presa arena y grava en cantidad suficiente para una presa de hormign compactado. Adems lo escaso que es el material adecuado para el ncleo impermeable dificulta la implementacin de esta opcin, nicamente se disponible de material adecuado en las cercanas de la Hacienda Tamarindo, pero su extraccin es difcil.

4) La presa de enrocado puede ser construida durante todo el ao, independientemente de las condiciones atmosfricas (no as la de ncleo de arcilla) y en menor tiempo (capas ms gruesas). 5) La losa de hormign sobre el enrocado, puede ser colocada al concluir la construccin, no siendo de prever dificultad alguna al respecto, en vista del alto nivel alcanzado en Costa Rica en la construccin de obras de hormign reforzado. 6) Las inyecciones pueden realizarse durante todo el periodo de construccin y no necesariamente antes de colocar el relleno, como es el caso de la presa de ncleo, en las que estas operaciones seran ms difciles. 7) Los conductos, galeras, etc., son ms cortos en el caso de la presa de enrocado, debido a la mayor pendiente de los taludes. 8) El comportamiento de las presas de enrocado ante sismos (a nivel de asentamientos) es mejor que el de presas de ncleo de arcilla. Por todos estos condicionantes y la ligera ventaja econmica que posee (ver Tabla 1), se considera como ms adecuada la solucin de presa de enrocado con pantalla de hormign.Tabla 1.- Anlisis econmico de las opciones estudiadas.TipologaEnrocado con pantalla de hormign Hormign compactado con rodillo Materiales sueltos con ncleo de arcilla

Presa[M USD] 53,07 107,36 54,87

Aliviadero[M USD] 20,05 Incluido 21,62

Total[M USD] 73,12 107,36 76,49

REPRESA SOBRE EL RO PIEDRAS La represa sobre el ro Piedras se ubica en la cota 18,75 msnm y ser de enrocado con pantalla de hormign tal y como se indic en el apartado anterior. Est constituida por un relleno de escollera y material rocoso procesado o seleccionado y una losa de hormign como elemento impermeable, esta losa se coloca en la cara de aguas arriba del relleno de escollera. La altura mxima de la presa ser de 43,50 m desde su fundacin en el ro Piedras hasta su coronacin. El talud de aguas arriba tiene una pendiente de 1,6H:1V, mientras que el de aguas abajo es de 1,5H:1V. La pantalla de hormign tiene un espesor constante de 0,30 m desde la coronacin hasta el plinto y se construir con losas individuales de 15 m de ancho y con refuerzo de acero. Para conectar la pantalla y la cimentacin se construir un plinto de hormign armado con un ancho de 5,78 m. La cimentacin debajo del plinto ser tratada con inyecciones de consolidacin e impermeabilizacin hasta unos 45 m de profundidad sujeto a investigaciones en diseo final, dadas las condiciones de impermeabilidad encontradas en las lavas de cimentacin de la presa. El volumen total del relleno de escollera se estima en 801.000 m3 mientras que el de concreto en 6.000 metros cbicos. La Figura 4 muestra una seccin longitudinal del cuerpo de la represa.

Figura 4.- Coronacin del cuerpo de presa a la cota +51,75 msnm, y el muro pretil con coronacin a la cota +53,5 msnm.

ALIVIADERO PARA LA EVACUACIN DE AVENIDAS El sistema de evacuacin de avenidas est formado por un vertedor convergente que se ubica en el estribo derecho, fuera del cuerpo principal de la represa. El vertedor posee seis compuertas radiales para la regulacin de los vertidos. La capacidad mxima del vertedor es de 3.400 m3/s, y que corresponde al caudal producido por una tormenta con perodo de retorno de 1:10.000 aos. El nivel mximo de operacin se estim en la cota 50,00 msnm mientras que el nivel de agua extraordinario en la cota 50,25 msnm. El labio del vertedor se localiza en la cota 42,25 msnm y ancho total de aproximadamente 72 metros. Cada compuerta radial tiene 10,75 m de ancho y 7,80 m de altura. El ancho medio de la rpida del vertedor es de 50 m y deber pasar mediante un canal elevado sobre el tramo II del Canal Oeste. El disipador de energa de la rpida ser del tipo trampoln. Las Figura 5 y 6 muestran panormicas generales del vertedor de excedencias.

Figura 5.- Vista del aliviadero, compuertas radiales y presa desde aguas abajo.

Figura 6.- Vista de las compuertas radiales en el aliviadero.

OBRAS DE TOMA El proyecto de presa Piedras es de uso mltiple por lo que estar previsto de tomas individuales para agua potable y para riego. La obra de toma para riego tendr capacidad para 50 m3/s y estar ubicada en la cota 29,00 mnsm. Esta misma agua ser utiliza para la generacin hidroelctrica mediante la construccin de una casa de mquinas al pie de presa, se espera que producir una potencia de aproximadamente 9 MW. La toma de agua ser del tipo torre y con una capacidad mxima de captacin de 3 m3/s. La torre tendr tres tomas de agua ubicadas a diferentes elevaciones con el fin de poder captar el agua con la mejor calidad posible. La entrega de agua al sistema de conduccin se realizar al pie de presa mediante una tubera de presin al final de la cual se colocar una vlvula de control. Finalmente la represa cuenta con dos desages de fondo para permitir la limpieza del embalse. La Figura 7 muestra una vista esquemtica de las obras de toma.

Figura 7.- Obra de toma vista de aguas arriba, toma para riego y agua potable.

DESVO DEL RO DURANTE LA CONSTRUCCIN

Los caudales de desvo son importantes: del orden de 520 m3/s para una tormenta con periodo de retorno de 10 aos. Tras el anlisis de la topografa se consider en un primer momento realizar el desvo a travs del tramo II del Canal Oeste. Sin embargo, al no poder interrumpir el flujo de agua en este canal, su utilizacin fue desechada. La solucin propuesta para el desvo del ro es a travs de un paleocauce ubicado en la margen derecha del ro Piedras. Se realizara mediante un sistema de presas ataguas y una batera de alcantarillas para desviar hasta 723 m3/s. Estas alcantarillas se incorporarn en el esquema final del proyecto como los desages de fondo para el sistema de limpieza para sedimentos.

OPERACIN CONJUNTA El proyecto contempla una delicada operacin conjunta desde el punto de vista hidrulico. El embalse permitir almacenar agua y as poder regular el flujo procedente del Complejo Hidroelctrico ARCOSA y del ro Piedras, de manera que se pueda dotar de agua para riego al tramo II del Canal Oeste con mayor independencia de la operacin de dicho Complejo. Esta operacin sin embargo, requerir de la operacin de las seis compuertas radiales, la medicin en tiempo real del caudal derivado en la presa Miguel Pablo Dengo, del caudal suministrado por el tramo I del Canal Oeste y del aporte del ro Piedras as como tambin la proyeccin continua de las dems de agua para riego y de agua potable. De acuerdo con la simulacin realizada en la operacin del embalse se estima que el nivel normal de operacin estar en la cota 48,25 msnm, mientras que el nivel mximo de operacin y nivel mximo de aguas extraordinarias en las cotas 50,00 y 50,25 msnm, respectivamente. Por su parte, el embalse y el aliviadero permiten laminar las avenidas con lo que se podra dar proteccin contra inundacin a las poblaciones ubicadas aguas abajo.

GENERACIN HIDROELCTRICA La generacin hidroelctrica se realizar mediante la construccin de una central al pie de presa. El agua que se utilizar ser la requerida por el tramo II del Canal Oeste, bajo este concepto, la generacin hidroelctrica estar subordinada a la demanda de riego. La central hidroelctrica tendr una capacidad mxima de 9 MW y se ubicar al final de la tubera proveniente de la toma de agua para riego. El agua turbinada ser restituida al tramo II del Canal Oeste. En el caso de mantenimiento de la central hidroelctrica el sistema contempla una tubera de desvo con el fin de no interrumpir el suministro de agua para riego, as mismo un desvo hacia el ro Piedras en caso de que el Canal Oeste requiera de mantenimiento. La Figura 8 muestra una panormica de la central hidroelctrica propuesta.

Figura 8-. Casa de mquinas a pie de presa.

ANLISIS DE RENTABILIDAD Como parte del Estudio de Factibilidad se hizo un anlisis de rentabilidad considerando varios escenarios, a saber, variacin en la inversin, en el precio de compra de la tierra, en el caudal de agua potable a suplir, en el costo del agua para riego, en los ingresos en general, en el costo de operacin y mantenimiento del proyecto, con generacin hidroelctrica y sin generacin. De todos los factores estudiados se determin que el componente principal es el caudal de agua potable a suplir y como segundo en importancia la generacin hidroelctrica. En la Tabla 2 se presenta la variacin de los ingresos con respecto al caudal de agua potable. Las Figuras 9 y 10 muestran la variacin del VAN y de la TIR del proyecto con la variacin del caudal de agua potable. Tabla 2.- Anlisis de rentabilidad segn caudal de agua potable a suplir.Caudal[m3/s] 2,0 1,5 1,0 0,5

Ingresos con generacin[ ] 11.914.743,84 10.590.231.84 8.382.711,84 6.175.191,84

TIR[%] 25,29 17,66 -

VAN[M USD] 91,65 47,22 -26,87 -100,92

Ingresos sin generacin2,0 1,5 1,0 0,5 [ ] 9.834.743,84 8.510.231,84 6.302.711,84 4.095.191,84 17,30 9,69 60,71 16,28 -57,81 -131,87

Sensibilidad al Caudal de Agua Potable (VAN)150 Con Generacin Sin Generacin

100

50VAN (MUSD)

0 0 -50 0.5 1 1.5 2 2.5

-100

-150Caudal Agua Potable (m 3/s)

Figura 9.- Sensibilidad del VAN al caudal de agua potable.

Sensibilidad al Caudal de Agua Potable (TIR) 30 25 20TIR %

Con Generacin Sin Generacin

15 10 5 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5Caudal Agua Potable (m3/s)

Figura 10.- Sensibilidad de TIR al caudal de agua potable.

Estudios independientes sealan que la demanda inicial de agua potable ser de 1 m3/s aproximadamente, pero que rpidamente se incrementa a 1,5 m3/s, dada la demanda incremental al suplirse el lquido y poder iniciar obras civiles hasta ahora paralizadas por falta de agua potable. Adems se ha considerado que uno de los aspectos ms importantes del proyecto Presa Piedras es que permitir desconectar pozos de bombeo actualmente existentes, que corren peligro de contaminarse por intrusin de aguas salinas, dada su sobreexplotacin. Cabe destacar que las obras de toma de agua potable se han diseado para 3 m3/s con el fin de prever el incremento a futuro.

CONCLUSIONES El proyecto de Presa Piedras del Distrito de Riego Arenal Tempisque, es un proyecto de alta relevancia a nivel nacional, que propiciar el desarrollo limpio y sostenido de la Provincia de Guanacaste.

Este proyecto permitir adems mejorar la dotacin de agua para riego, habilitar nuevas reas de siembra bajo riego y dar seguridad a las reas ya sembradas, generar energa limpia, dotar de agua potable a la poblacin actual as como a futuros desarrollos y permitir la recarga de los niveles freticos ahora amenazados por sobreexplotacin. El proyecto es viable tcnica y econmicamente, pero adems permitir mejorar el corredor biolgico del la Reserva Barbudal y sustituir parte de su zona que se inunda con nuevas reas para la Reserva.

AGRADECIMIENTOS Se deja patente el agradecimiento al Servicio Nacional de Aguas Subterrneas, Riego y Avenamiento, SENARA, al Banco Centroamericano de Integracin Econmica, BCIE, al Ministerio de Agricultura y Ganadera, MAG, a la firma Sociedad de Construccin Industrial, SOCOIN, de Espaa, miembro del consorcio SETECOOP-SOCOIN, a la empresa TT Argos de estudios ambientales y a los profesionales de la firma costarricense SETECOOP por el apoyo brindado para este proyecto.

REFERENCIAS Consorcio BEL Ingeniera-TAHAL. Oeste. San Jos, Costa Rica. (1990). Estudio Plan Maestro Canal Sur y Canal

SETECOOP-SOCOIN. (2010). Estudio de Factibilidad, Diseo Bsico y Estudio de Impacto Ambiental para Presa Piedras, Distrito de Riego Arenal Tempisque, DRAT. San Jos, Costa Rica.