ISAGEN S.A E.S.P COLOMBIA Colombia, Junio 4 2014 ¿COMO LOS CAMBIOS OPERACIONALES E HIDROLÓGICOS AFECTAN EL COMPORTAMIENTO DE UNA PRESA? LA REACCIÓN DE MIEL I Autor/es: MAURICIO JIMÉNEZ GARCÍA, INGENIERO CIVIL. Empresa o entidad: ISAGEN S.A. E.S.P Cargo: Coordinador mantenimiento civil Central Miel I DATOS DE LA EMPRESA Dirección:Carrera 30 No 10C - 280 Código Postal: Teléfono: 57 4 325 8150 Fax: 57 3 361 5620 E-Mail: [email protected] PALABRAS-CLAVE: Mantenimiento, presa, instrumentación, geotécnial, hidrología, operacíon, RCC, Miel I, Indicar código de subtema, (G1-2) RESUMEN Miel I, una presa de Concreto Compactado con Rodillo (CCR) localizada en Colombia, operada por más de 12 años y prácticas operacionales/comerciales y comportamiento hidrológico considerados como estables. Sin embargo, entre 2010 a 2012; Miel I confronto cambios en estos dos aspectos. Antes de los cambios mencionados, el vertedero había sido usado en solo dos ocasiones y por cortos periodos de tiempo. Sin embargo, a causa de los cambios, el vertedero fue usado durante 30 días en el 2010 y 47 días en el 2011. Adicionalmente, desde agosto de 2010, el embalse ha incrementado sus niveles por los aportes del túnel trasvase Guarinó. Estos aspectos cambiaron e influenciaron los niveles del embalse durante 2010 a 2012 y en especial durante la temporada de lluvias, marcando el comportamiento de la presa. Miel I confrontó fuerzas y solicitudes a las cuales nunca había sido expuesta. Como producto de esto, pequeña fisuras y cambios en los registros de algunos instrumentos fueron detectados. Es claro que estos cambios no comprometieron la seguridad de la presa aunque es cierto que la presa de Miel I por primera vez en 10 años fue llamada a trabajar con niveles altos y constantes. La información, análisis y conclusiones recogidas durante estos periodos de tiempo permitió al grupo de mantenimiento de la Central Miel I definir con anticipación prácticas para estas nuevas condiciones y aún más importante, cerrar la brecha entre las practicas operacionales y los estándares de seguridad de preas. INTRODUCCIÓN La Central Hidroeléctrica Miel I está localizada en Colombia, a 200 km de Bogotá en el departamento de Caldas. La central usa las aguas del río La Miel y Moro para poder generar 396 MW. El área del embalse es de 1260 ha, 590 millones de metros cúbicos de embalse y una longitud de 22 km sobre el río Miel y 12 km sobre el río Moro. El embalse es posible por la presa de Concreto Compactado con Rodillo (CCR) de 188 m de altura. La construcción de la Central Miel I inicio en diciembre de 1997 y termino en octubre de 2002 y en diciembre de ese año, la planta inicio actividades operativas y de generación de energía. Adicionalmente, desde agosto de 2010, el trasvase Guarinó empezó operación trayendo los excesos de agua del río Guarinó hacia el embalse Amaní de la Central. El trasvase Guarinó representó un importante cambio en las condiciones operativas de la central. Adicionalmente, entre diciembre de 2011 y febrero de 2012, el área de influencia de la Central Miel I confronto una temporada de fuertes lluvias. Esta temporada de lluvias causo que el embalse sobrepasará sus niveles históricos y el vertedero fuera usado por 47 días de forma continua. Durante este periodo, una serie de eventos, señales e información alerto al grupo de mantenimiento civil a cargo de la seguridad de la presa. Con estos indicios y condiciones, el grupo de mantenimiento empezó un programa de inspecciones y análisis para encontrar las causas de las reacciones encontradas y revisar el comportamiento de la presa. Para poder entender este fenómeno, este artículo presentará la información que algunos instrumentos reportaron sobre sus rangos regulares, la evidencia física que el grupo de mantenimiento presentó durante las inspecciones y el análisis y conclusiones sobre este fenómeno. PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS Para el presente análisis, los siguientes pasos fueron definidos para encontrar las causas de los hallazgos físicos en la presa y el cambio en el comportamiento de algunos instrumentos. Paso 1. Análisis Hidrológico. Dado que el principal “activador” o factor externo que afecta la presa de la Miel I es el nivel del embalse, el primer paso fue revisar y analizar los niveles y comportamiento del embalse desde el inicio de operación en el 2002. Paso 2. Revisión de la información de la instrumentación. Como fue explicado en el paso anterior, el principal detonante en el comportamiento de la presa es el nivel del embalse. La influencia del nivel del embalse en la presa puede notarse en las reacciones físicas (movimientos, fisuras y desplazamiento de juntas) o en el cambio del comportamiento normal de las lecturas de los instrumentos y datos. Por esta razón, el grupo de mantenimiento revisó el comportamiento de los instrumentos y busco que instrumentos presentaban información o datos por fuera de los rangos normales. Paso 3. Revisión de las manifestaciones físicas del movimiento de la presa . La principal “alerta” o “signo” que fue detectado durante las rutinas de mantenimiento e inspección fueron las reacciones físicas que presento la presa. Fisuras y aberturas en juntas fueron encontradas e inventariaras para poder hacer el seguimiento respectivo y encontrar la razón de estos eventos. Paso 4. Análisis de la información y conclusiones. Con los datos tomados de la instrumentación de la presa y la evidencia física recolectados durante las inspecciones, el paso final fue relacionar todos estos en eventos para encontrar la explicación y más importante, determinar el estado de la seguridad de la presa. El análisis presentado en este artículo fue elaborado entre el 1 de diciembre de 2011 y el 15 de febrero de 2012. ANÁLISIS DEL RÉGIMEN HIDROLÓGICO DE LA CENTRAL MIEL I. PASO 1. Como fue mencionado en la descripción del procedimiento de análisis, el primer paso es revisar la información hidrológica. La Figura 1 presente el régimen del embalse desde enero de 2003 a enero de 2013. Con la gráfica y las precipitaciones registradas año a año, es posible mencionar que dos factores han afectado los niveles del embalse, las condiciones hidrológicas y la demanda de generación eléctrica. Figura 1. Evolución embalse enero 2003 a enero 2013 La Figura 1 presentó que el nivel del embalse tiene una tendencia a crecer año tras año. Los niveles más altos son alcanzados entre diciembre y enero de cada año. Por otro lado, niveles bajos son alcanzados entre junio y julio. Adicionalmente, la Figura 1 muestra cuatro periodos donde el nivel del embalse ha alcanzado elevaciones por encima de los 445.50 msnm y el vertedero fue usado. El número de días, el máximo nivel alcanzado y los periodos de vertimiento son presentados en la Tabla 1. Niveles máximos del embalse, duración y periodos Periodo de tiempo Días de uso vertedero Elevación max embalse (msnm) Noviembre 2005 2 445,54 Diciembre 2008 Diciembre 2010 – Enero 2011 December 2011 – February 2012 5 445,73 30 447,52 47 446,47 Tabla 1. Niveles del embalse, duración y periodos. Después de revisar la Figura 1 y la Tabla 1, es posible determinar que los niveles del embalse han cambiado especialmente entre los años 2010 a 2012. Adicionalmente, es importante mencionar que durante el 2010, todo el año hubo u incremento constante del nivel del embalse sin pausa o siguiendo el comportamiento bi modal de otros años. En este caso, los meses de junio y julio no representaron un punto bajo en el nivel del embalse sino un punto más en la escalada de niveles. Estas condiciones fueron originadas por dos factores; la inclusión del trasvase Guarinó que representa el aumneto de afluencia en un promedio de 30 m³/s y el incremento en las afluencias originadas por los fuertes inviernos. Adicionalmente, las condiciones comerciales y de mercado han estado enfocadas en incrementar el embalse hasta su máxima capacidad durante la temporada de lluvias y descender durante la temporada seca sin llegar hasta los límites técnicos de la planta. Como es ilustrado en la Figura 1, 2007 es el año que puede denominarse como frontera en términos del nivel del embalse. Hasta diciembre de 2007, los niveles mínimos estaban alrededor de los 395 msnm. Después de Diciembre de 2007, las condiciones del mercado y el incremento en las afluencias durante la temporada de lluvias, los niveles mínimos alcanzados estuvieron alrededor de los 405 msnm. Esto significa que el rango de los niveles del embalse desplazo su promedio mínimo en 10 m, creando condiciones para almacenar una mayor cantidad de agua y llegando a niveles mucho más altos. ANÁLISIS DE LA INSTRUMENTACIÓN DE LA CENTRAL MIEL I. PASO 2. Descripción de la instrumentación de la presa de Miel I. De acuerdo con el memorando de diseño técnico porducido por Hidroestudios S.A (1994), y las rutinas de mantenimiento e inspección definidas por ISAGEN para la presa de Miel I, la instrumentación recopila parámetros como lo son temperatura, comportamiento de esfuerzos, presiones de poro, infiltraciones de agua y reacciones (aceleraciones) ante eventos sísmicos. Con esta información, el grupo de mantenimiento es capaz de definir el comportamiento geotécnico y estructural de la presa y aún más importante, definir el nivel de seguridad que la presa puede alcanzar día a día. Estos parámetros son registrados y monitoreados por la instrumentación de hilo vibrátil instalada durante la construcción de la presa y descrita en la Tabla 2. Instrumentación de hilo vibratil. Función y descripción Número Instrumento Función instaldo Termocupla Celda presión de Medidores de deformación Extensometros de posicion multiple Medidores de junta Piezometros 309 11 (33 sensores en direcciones X,Y,Z) 15 (45 sensores en direcciones X,Y,Z) 4 ( 24 sensores, 6 por instrumento) 129 (43 groups in X,Y, Z diections) 80 (25 in rock fundación, 39 dam body, 9 in contact areas and 7 to check deep grouting Monitorea la temperature del concreto Monitorea comportamiento de deformación (tensioncompresion) Monitorea comportamiento de deformación (tensioncompresion) Monitorea deformación es puntos específicos Monitorear movimientos diferenciales entre monolitos de CCR. Monitorear presiones de poro en la roca, presa and y en la cortina de inyecciones profunda. Instrumentación de hilo vibratil. Función y descripción Número Instrumento Función instaldo courtain) Acelerometros 3 Evaluar comportamiento dinámico. Tabla No.2 Listado y descripción de la instrumentación. Niveles de alerta y máxima cabeza hidráulica posible. Este punto centrará su análisis en la reacción de los piezómetros dado que algunos instrumentos registraron un cambio significativo y comportamiento anormal dadas las condiciones de elevación del embalse. El informe final de construcción de la presa de Miel I reporta y define que los piezómetros no deben alcanzar una presión equivalente al 34% de la cabeza hidráulica sobre el instrumento. Con esta premisa, cada piezómetro tiene su propio “nivel de alerta” dependiendo de su ubicación y condiciones. Por ejemplo, el piezómetro PF-15 fue instalado en la elevación 315,00 msnm. Si es tomado un promedio de elevación del embalse durante los meses de febrero de 2011 y febrero de 2012, el nivel de alerta o máxima presión que debe monitorearse será máximo 4,45 kg/cm². Los siguientes cálculos soportan el nivel de alerta definido. Máxima cabeza hidráulica sobre el piezómetro. (Nivel del reservorio – elevación de instalación) m / 10 cm²*m/kg = cabeza hidráulica. (446,00 – 315,00) m/10 cm²*m/kg = 13,1 kg/cm² Nivel de alarma (Máxima cabeza hidráulica sobre el piezómetro) kg/cm²*34% = Nivel de alarma 13.1 kg/cm² * 34% = 4,45 kg/cm². Usando tablas de Excel, es posible tener la alarma real para cada nivel del embalse y para cada piezómetro. La Figura 4 ilustra el nivel de alarma y el comportamiento del piezómetro PF-15. Figura 4. Niveles de alerta y datos reales piezómetro PF-15. Piezómetros con comportamiento especial durante altos niveles del embalse. Piezómetros ubicados en el estribo derecho en un área que durante construcción fue necesario aplicar inyecciones de consolidación adicional, registraron niveles cercanos o superiores a los definidos como niveles de alarma. Los piezómetros con información superior son los PF-14, PF17, PE-C2, PE-C, PE-C6, PE-CH5, PE-CH6 and PE-CH7. Figura 5 a 8 presenta cuatro graficas representado los registros encontrados en instrumentos seleccionados del grupo mencionado anteriormente. Figura 5. Comportamiento del PF-14. Figura 6. Comportamiento del PE-C2. Figura 7. Comportamiento PF-17. Figura 8. Comportamiento del PE-C6. La información ilustró que durante periodos de altos niveles del embalse, los instrumentos mencionados anteriormente reportaron presione superiores a las definidas para los niveles de alarma. Adicionalmente, el grupo de mantenimiento detecto que la reacción es mucho más marcada y notoria una vez el nivel del embalse alcanza la elevación 439,00 msnm. Esta información fue usada para definir y planificar las rutinas, inspecciones y monitoreos de la presa durante temporadas de niveles altos. El grupo de mantenimiento decidió incrementar las frecuencias de las inspecciones y visitas a la presa una vez el nivel del embalse alcanza la elevación 439,00 msnm. Adicionalmente, para poder identificar si hay algún indicio adicional, el grupo de mantenimiento civil de Miel I desarrollo un modelo en 3D de la presa. Este modelo facilita la visualización de la posición de los instrumentos con respecto a otros instrumentos de la presa y las posibles implicaciones en el estado de la fundación, estribos y presa. Este modelo permitió detectar que los instrumentos reportados podían agruparse y zonificar su comportamiento. Finalmente, es importante resaltar que durante la revisión de los datos de instrumentación, el grupo de mantenimiento civil no encontró indicios en otros instrumentos tales como extensómetros, celdas de presión o un aumento considerable en los registros de infiltración de agua en los estribos y cuerpo de la presa. Utilizando el modelo 3D, los instrumentos cercanos o relacionados a los piezómetros mencionados y con un comportamiento atípico fueron indagados constantemente sin encontrar señales de datos o reacciones fuera de lo normal. Figura 9. Modelo 3D de la presa de la Miel I. REACCIONES FÍSICA. PASO 3 Durante diciembre de 2011 a enero de 2012, dados los altos niveles del embalse; el grupo de mantenimiento civil de Miel I detecto las siguientes reacciones físicas en la presa. Ampliación del espesor de las juntas de la cresta JC 1, 7 y 12 Localización. JC-1. Estribo derecho cerca de la unión entre la roca y el cuerpo de la presa. JC-7. Estribo derecho cerca del inicio del vertedero. JC-12. Estribo izquierdo, cerca del final del vertedero. La Figura 7 presenta la localización de las juntas con respecto al cuerpo de la presa. Figura 7. Localización de las juntas JC 1, 7 y 12. Rutinas de inspección. El grupo de mantenimiento civil mensualmente inspecciona las diferentes zonas de la presa. En la inspección ejecutada en la cresta de la presa, el 8 de diciembre de 2011, las juntas mencionadas anteriormente fueron encontradas en condiciones normales. Sin embargo, durante la inspección de enero de 2012, las juntas mencionadas fueron encontradas e condiciones anormales, las cuales serán descritas a continuación. JC-1. Abertura de 5 mm en la junta. Ver Foto.1 Foto 1. Abertura en la junta JC-1. JC-7. Abertura de 5 mm en la junta. Ver Foto.2. Foto 2. Abertura en la junta JC-7. JC-12. Abertura de 2 mm en la junta. Ver Foto.3. Foto 3. Abertura en la junta JC-12. Abertura detectada en la aleta izquierda del muro del vertedero La abertura fue detectada en la parte media de la presa, sobre el muro que soporta el vertedero. La Foto 4 presenta su localización. Foto 4. Localización de la apertura en la aleta izquierda del vertedero. Rutinas de inspección. Como fue mencionado anteriormente, durante la rutina de inspección de diciembre de 2011 no hubo evidencias o señales de movimiento en el muro. Sin embargo, durante la inspección de enero de 2012, el grupo de mantenimiento civil detecto una abertura de 8 mm de espesor en una zona particular del muro. La abertura es ilustrada en la Foto 5 y 6. Foto 5. Abertura en el muro izquierdo del vertedero. Foto 6. Detalle de la abertura. Fisuras en la gola. Galería superior de la presa. Durante las inspecciones de enero de 2012, cerca de ocho fisuras de no más de 1 mm de espesor fueron detectadas por el grupo de mantenimiento civil. Las Fotos 7 y 8 presentan las fisuras enmarcadas entre dos líneas rojas para mejor visualización. Foto 7. Fisuras encontradas a 7 m del centro de la presa, estribo derecho. Foto 8. Fisura detectada en el centro de la presa. ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN Y CONCLUSIONES. PASO 4. Después de revisar la información recopilada y referente al comportamiento del embalse, datos de la instrumentación y revisión de las evidencias físicas de movimiento de la presa, es posible analizar y concluir los siguientes puntos. -Los eventos registrados entre diciembre de 2011 y enero de 2012 fueron ocasionados por los altos niveles del embalse los cuales incluyeron una duración de 47 días de vertimiento. -Los fuertes inviernos del 2010 a 2012 y cambios operacionales (inclusión del trasvase Guarinó) y cambios en las tendencias de comercialización de energía. -El comportamiento del embalse de Miel I puede considerarse “aun en desarrollo” dadas la tendencia creciente que aun presenta. Es posible que el comportamiento del embalse sea estable en los próximos años. Sin embargo, hasta que esto no ocurra, los grupos a cargo del mantenimiento de la presa deben hacer seguimiento a la influencia del embalse en la presa. -Adicionalmente, en el 2010 hubo un aumento progresivo y sin pausa en el nivel del embalse. Esto pudo generar un sostenimiento de las presiones en la roca y generar un salto en los esfuerzos que la presa y roca debe soportar. Es importante analizar con un mayor detenimiento este efecto pues es posible que por condiciones comerciales y régimen de lluvias esta situación se presente nuevamente. -Algunos instrumentos presentan niveles o lecturas sobre los límites de alarma definidos por el diseñador de la presa. Sin embargo, la reacción de estos instrumentos puede considerarse local y particular dado que no hay señales de degradación de la roca, incrementos en la filtraciones de agua a través de los estribos o la presa o combinación de presiones que pudieran crear un efecto de subpresiones para levantar la presa u otro evento o singo que pudiera considerarse una amenaza. -Adicionalmente, este comportamiento demostró que los niveles de alarma deben estudiarse y definirse nuevamente en compañía de consultor basados en el comportamiento de los últimos 12 años, la tendencia del mismo y la evolución del estado del arte en seguridad de presas. -Sin embargo, si bien no hay riesgos en el momento, estos comportamientos deben constantemente revisarse y ensayos o pruebas adicionales sobre la evolución de la degradación de la roca, concreto, permeabilidad, efectividad de los drenajes y cortina de inyecciones deben empezar a estudiarse. Es importante recordar y como ya fue mencionado anteriormente que el comportamiento del embalse aún no es estable y que con los cambios que pueda originar la entrada del trasvase Manso, la tendencia año tras año será de llegar fácilmente a la cota vertimiento. Al tener mayores niveles y de forma constante, las presiones en la roca y en la presa aumentaran. -Es importante definir estrategias y planes para en lo posible evitar el vertimiento lo que significa evitar en lo posible que el agua pasa por encima de la presa. Esta recomendación puede sustentarse en el hecho que el agua que pasa por el vertedero es agua que no es generada. -Durante el análisis de la información, fue explorada la posibilidad de inyectar o reforzar la cortina de intyecciones profunda de la presa. Sin embargo, dadas las condiciones encontradas, esta alternativa no fue necesaria. -Las reacciones físicas detectadas en la cresta y gola de la presa son consecuencias de los esfuerzos que la presa soporto por los altos niveles del embalse. Es posible hacer una similitud entre la presa y una viga simplemente apoyada, la cual, l estar cargada, sufre esfuerzos que generan las fisuras. La presa trabajó como una viga y los estribos de roca fueron sus soportes. El empuje o fuerza que ejerció el embalse puede considerarse como una carga uniformemente distribuida. Como una viga, el centro de la presa fue deflactado y las fisuras aparecieron en los puntos de mayor concentración de esfuerzos. -Este evento confirmó la importancia de las inspecciones visuales, el constante entrenamiento del personal a cargo de las inspecciones y la frecuencia de las mismas. Adicionalmente, personal entrenado, inspecciones rutinarias bien definidas y un buen control de la información registrada son elementos claves para la detección y análisis el comportamiento de la presa. Sin embargo, fue detectado que poder llegar a muchos puntos de la presa durante la temporada de lluvias es difícil dadas las condiciones topográficas y de accesos. Por lo anterior, es fundamental mejorar el acceso a todos los puntos de la presa. -Después de estos eventos, el grupo de mantenimiento civil de Miel I definió que una vez en embalse alcance la elevación 439,00 msnm, las rutinas de inspección y análisis de la instrumentación deben doblarse para así tener información día a día y detectar posibles anomalías. - Más del 60% de la información y todos los piezómetros registran información con una periodicidad diaria. Esta frecuencia permite al grupo de mantenimiento civil tener información confiable y a tiempo para definir tendencias y predecir comportamientos de la presa. -Durante los eventos descritos en este artículo, la estabilidad y seguridad de la presa de Miel I nunca estuvo comprometida o en peligro. -Referencia. Manuales [1] Geokon Inc. Instruction manuals for vibrating wire instruments. Geokon Inc 2009. Informe de diseño [2] .Hidroestudios S.A. Memorando tecnico Instrumentacion de la presa proyecto Hidromiel. 1994. RECONOCIMIENTOS Al grupo de mantenimiento civil que dedican su tiempo a las actividades de campo para que la información llegue a los centros productivos de forma confiable y oportuna. A los directivos de ISAGEN y en particular al Ingeniero Mauricio Botero por siempre incentivar la imaginación e intensión de divulgar el trabajo que día a día es ejecutado en la Central Miel I.